童順波

摘 要：柴油機零部件的是柴油機安全高效運轉的關鍵，在現(xiàn)代工程、機械項目對于質量的要求越來越高的發(fā)展局面下，有必要進一步優(yōu)化改進柴油機零部件的性能，從而確保柴油機更為有效的運轉使用。機電一體化是近些年來所大力推廣的技術，其在柴油機零部件優(yōu)化改進工作中同樣發(fā)揮著重要的價值，因而有必要有針對性的、科學合理的應用機電一體化技術。在這種背景下，文章首先概述了柴油機零部件優(yōu)化改進的機電一體化需求，進而分析了燃料油噴射裝置控制電子化改進與調速器裝置控制電子化改進，最后分析了氣缸與排氣閥的控制電子化改進，并進行了總結，以求為更好地開展柴油機零部件優(yōu)化改進工作提供必要的借鑒與參考。

關鍵詞：柴油機；零部件；優(yōu)化改進；機電一體化

1 柴油機零部件優(yōu)化改進的機電一體化需求

柴油機是交通運輸中耗能最低的動力機械，使用面廣，擁有量大。近十年來，國外十多個經濟發(fā)達國家的柴油機廠商，大學和研究所競相開發(fā)了以微型計算機為核心的電子控制柴油機（包括部件的電子化改造和全新電控柴油機品種），使柴油機從只能在設計工況點較優(yōu)化運行轉變?yōu)榭稍谌窟\轉工況范圍最優(yōu)化運行，收到較大幅度節(jié)能，可燃燒劣質燃料，改善大氣污染，提高低負荷扭矩和降低最低穩(wěn)定轉速等效果。同時使柴油機增加了自動檢測、自動顯示記錄、自動調節(jié)、控制以及自動診斷與保護等功能，因而具有若干“智能”特征，從根本上改變了傳統(tǒng)柴油機的面貌。

在新技術革命的浪潮中，微電子技術的飛速發(fā)展和向機械工業(yè)的滲透，形成了機械微電子復合技術-機電一體化技術，涌現(xiàn)出一代新產品-機電一體化產品，這類產品應用范圍大，覆蓋面寬。從社會到經濟，從生產到生活，從簡單的耐用消費品到復雜的社會生產和管理系統(tǒng)，機電一體化幾乎達到“無孔不入”的境地；從而使機械工業(yè)的技術結構、產品功能和構成、生產方式和管理體系發(fā)生了巨大的變化，也使工業(yè)生產從“機械電氣化”跨入以機電一體化為標志的發(fā)展階段。隨著人類對生存環(huán)境和生活質量的要求不斷提高，對柴油機排放的限制也越來越嚴格，不僅對碳氫化物（HC）、碳氧化物（CO）、氮氧化物（NOx）及微粒排放（PM）限制，而且已開始對二氧化碳（CO2），也就是耗油量有所要求。對柴油機而言，主要是氮氧化物，因此，國際海事組織（IMO）對于130kW以上的柴油機制定排放標準和法規(guī)，該法規(guī)也針對氮氧化物排放制定出標準。

自往復運動機械誕生以來，柴油機的噴油裝置及進排氣閥，均由曲拐軸的凸輪控制驅動。對于傳統(tǒng)柴油機而言，其噴油及進排氣閥定時受至于凸輪的形狀。因其凸輪的形狀的設計是為適應柴油機于高負荷狀態(tài)下使用，換而言之，當柴油機于低負荷時，由于燃油凸輪因回轉速度延遲，而使燃油泵的柱塞運動較慢，因此，燃油受到壓縮時間較長，燃油要維持于高壓的噴射壓力較為困難。為改善上述缺點，低速柴油機朝向電子點火方式發(fā)展，亦即為無凸輪裝置的柴油機。柴油機機電整合系統(tǒng)，其包含燃料噴油裝置、排氣閥及空氣啟動閥等的啟閉控制；啟動及反轉、速度調整及氣缸油注油裝置的控制等及原有的電子控制與監(jiān)視系統(tǒng)，文章于下將分別予以說明介紹。

2 燃料油噴射裝置控制電子化改進

柴油機的燃油噴射過程為間歇性過程，僅為于每一工作循環(huán)中的極小部分時間內進行。噴射過程為由噴射泵輸送來的燃油，經高壓油管經由噴嘴噴入氣缸，噴嘴的噴孔面積相對于噴油泵的瞬間排油率而言為極小，因此，燃油是以極高速噴入氣缸，與此同時就在燃油系統(tǒng)內建立極高的壓力。噴出的高速燃油流，在其內部的原始擾動及外部摩擦力作用下，當其大于燃油自身的表面張力時即脆裂，即所謂燃油霧化。

將燃油視為不可壓縮的流體，燃油系統(tǒng)于工作時整個系統(tǒng)內各處的燃油其狀態(tài)于同一時間內均為一致。實際上，從高壓油管兩端壓力與流量的差異，以及噴油率與供油率隨時間的變化，其系統(tǒng)狀態(tài)變化為不穩(wěn)定流變化。為改善此狀況，因而發(fā)展出共軌式燃油噴射系統(tǒng)。

燃油噴射裝置機能：（1）高壓噴射。柴油機于低負何時，其燃油噴射壓力較低，霧化效果較差，因而燃燒不良，于廢氣排放中含有大量的微粒；若能提高其噴射壓力，則能改善廢氣排放。（2）噴射定時。隨著柴油機負荷率的改變，針對燃油特性所需最佳噴射定設定時，將可減少耗油量及降低廢氣中NOx排放的污染。（3）噴射量。燃油噴射量多寡將影響氣缸內的燃燒壓力，各缸噴射量不均勻，會造成柴油機各缸的出力不平衡。（4）噴射形式。初期噴射少量燃油，可抑制預燃現(xiàn)象，對于降低NOx排放有顯著效果；若安裝有先導噴射泵（pilot nozzle），則主噴射燃燒延遲縮短，對于將降低震動、噪音及NOx排放有顯著效果。

燃油噴射系統(tǒng)最佳狀況為于整各負荷范圍內，其噴射壓力均能維持高壓狀態(tài)。低負荷時，為燃燒延遲；高負荷時，為燃燒提前，將減少耗油量及降低廢氣中NOx排放的污染。為達上述要求，已將傳統(tǒng)機械控制式噴射系統(tǒng)，改變?yōu)殡娮涌刂乒曹壢加停–ommon Fuel Rail）噴射系統(tǒng)。燃油噴射系統(tǒng)可分為增壓式及蓄壓式兩種，機械式屬于增壓式系統(tǒng)；共軌式屬于蓄壓式系統(tǒng)，而MAN B&W 發(fā)展的Slid Type Fuel Nozzle 則屬于增壓式及蓄壓式混合式。

目前柴油機廠有關燃料油噴射裝置控制電子化發(fā)展趨勢介紹說明如下：（1）MAN B&W 柴油機。ME系列低速柴油機采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)，燃油噴射泵為兩段式，于低負荷時為一段噴射；高負荷時為二段噴射，其噴射率、噴油定時、噴射時間及壓力均可調整。另于中高速四沖程柴油機如L16/24、L21/31系列亦采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)。（2）WARTSILA SULZER。RT-flex系列低速柴油機采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)，每缸上有三組燃油噴嘴（Fuel Nozzle），于啟動及低負荷時為一組噴射；于中負荷時為二組噴射；高負荷時為三組噴射，其為程序控制，其噴射量及噴射形式可調整。另于中高速四沖程柴油機系列如32及46亦采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)。（3）MTU。中高速四沖程柴油機，如MTU2000、MTU4000及MTU8000系列均采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)。

3 調速器裝置控制電子化改進

柴油機的不同轉速，為經由改變每一循環(huán)的供油量來獲得的。若于一定的外界負荷條件下，供給柴油機的燃油量能使柴油機產生的功率與外界負荷互相平衡，柴油機則于某轉速下穩(wěn)定運轉。當外界負荷變化時，處于平衡狀態(tài)的柴油機就出現(xiàn)不平衡。為使柴油機的功率與新的負荷相適應，必須及時改變噴油量，而噴油量的改變是經由調速器來控制。傳統(tǒng)的機械油壓式調速器無法完全適應新型柴油機的發(fā)展，因而發(fā)展出電子調速器。

電子調速器的功能：（1）柴油機燃料控制。a.啟動時燃料抑制控制。啟動時，經由設定燃料油桿位置來抑制燃油噴入量，作為第一段噴油。當轉數(shù)超過70%時，則進行第二段噴油。如此，可降低啟動時冒黑煙。b.加速時燃料抑制控制。加速時，對應柴油機轉數(shù)的變化，燃料油桿亦隨之變化，為抑制其急劇的變化，因此，必須加以設定。當輸出功率變化趨穩(wěn)時，則針對此時的負載自動調整燃料油桿的位置。（2）柴油機速度控制。a.速度控制機能。柴油機轉數(shù)的高低是靠改變油門開度來實現(xiàn)的。不管柴油機與螺旋槳是直接帶動還是間接帶動，根據能量守恒定理知：柴油機輸出的有效功率和被螺旋槳吸收的功率始終保持平衡的。b.加減速設定。調速器主要的功能是能維持柴油機轉速于所預期的轉速下，安全而且有效地運轉。由操車桿車 的轉數(shù)和發(fā)動機實際轉數(shù)，相互比較其偏差值，而以偏差值去驅動作動器，而由作動器帶動油門桿來增減發(fā)動機的轉數(shù)；再由發(fā)動機的轉數(shù)與車 的轉數(shù)作比較，而重復其動作，直到兩者轉數(shù)一致為止。

4 氣缸與排氣閥的控制電子化改進

4.1 氣缸油注油器控制電子化

低速柴油機隨著增壓度的提高及燃用重質燃料油，氣缸的潤滑為嚴重的問題。因此，除采用帶堿性添加劑的黏度適當，抗氧化能力較強，散布性較好的汽缸油外，還采用高壓脈沖、定時定量滴注方式進行潤滑。

機械式注油器，每缸注油器有多個油嘴，分別供應至氣缸套四周，是經由注油器的滑油，流過安裝于汽缸套止回式的噴嘴，噴入汽缸內，一部分被燃燒，另一部分借助活塞油環(huán)布于缸壁上，多余的被刮到掃氣箱內，由污油口排出。

電子式注油器與機械式注油器主要不同的，電子式沒有油量調整機構，以活塞行程的設定取而代之，當行程固定時，則以時間內活塞來回次數(shù)控制油量。電子式注油器作動原理，經由柴油機轉數(shù)、曲柄軸角度及燃料油桿位置的信號偵測，在借助微處理器控制單元計算出柴油機的輸出功率，而后輸出信號至注油器的電磁閥，控制注油器噴油量。當輸出功率變化時，待其負荷穩(wěn)定后，則針對此時的負載自動調整注油器的注油量。

4.2 排氣閥控制電子化

柴油機把氣缸中燃燒后的氣體清除，并以新鮮的空氣充填，噴入氣缸的燃料才能進行燃燒，化學能經燃燒后轉變?yōu)闊崮?，柴油機才能不斷輸出功。因此，換氣之后于氣缸中可用于燃燒的空氣量，相應也就限定所能燃燒的燃料量，因而，柴油機換氣質量的好壞，與其作功能力有極大的關系。

柴油機于標定功率以同樣的平均有效壓力運行，若缸內的空氣越多，則空氣與燃油的比率就越大，即為產生完全燃燒創(chuàng)造有利條件。另外，此時燃燒過后的燃氣比熱較低，相對其比熱比較大，依據熱力學理論循環(huán)效率分析可知，比熱比大的工質其循環(huán)效率高，由此可知，換氣過程對于柴油機的熱效率有極大的影響。

機械式的可變氣閥正時機構，利用兩根凸輪軸分別驅動進氣閥與排氣閥，借助由機械方式分別改變此兩根凸輪軸與曲軸的相對位置關系，來實現(xiàn)氣閥正時的改變。此種方式響應快，運行速度幾乎不受影響，但其缺點是難以實現(xiàn)進、排氣閥的開啟與關閉時刻的獨立調控。

以電磁伺服閥控制的電動油壓可變氣閥正時機構，具有調控靈活、容易與電子控制技術結合的優(yōu)點，但其工作響應速度慢，適合于中低速柴油機。目前二沖程直流掃氣柴油機，其排氣閥是利用空氣彈簧替代氣閥彈簧來關閉，以電子控制方式控制電磁閥，實現(xiàn)其正時調控。其主要功能有二種，一為控制氣閥的落座速度；另一為控制氣閥的最大升程。

5 機電整合系統(tǒng)

ME 系列柴油機控制系統(tǒng)，包含主操作盤（Main Operation Panel， MOP）、柴油機接口控制單元（Engine Interface Control Unit， EICU）、機側控制盤（Local Control Panel， LCP）、柴油機控制單元（Engine Control Unit， ECU）、汽缸油控制單元（Cylinder Control Unit， CCU）及輔機控制單元（Auxiliaries Control Unit， ACU）。ME 系列柴油機操作模式分為低燃料消耗模式（Economy Mode）及低廢氣排放模式（Emission Mode），兩種操作模式其耗油率（SFOC）、NOx排放、最高壓力（Pmax）及壓縮壓力（Pcomp）完全不同。低燃料消耗模式運轉時，完全為符合其經濟運轉，但其NOx排放仍符合IMO的要求；低廢氣排放模式時，為符合IMO航行于特別海域低排放的要求。

RT-flex 系列柴油機控制系統(tǒng)WECS9500，包含遙控系統(tǒng)（Remote Control System）、電子調速器（Electronic Speed Control）、船舶警報系統(tǒng)（Ship Alarm System）及備用盤（Backup Panel）。遙控系統(tǒng)包含Start、Ahead、Astern、Brake、Slowturning、Slowdown、Charge Air Pressure；備用盤包含Ahead Backup、Astern Backup、Fuel Command Backup、Start Backup；電子調速器包含F(xiàn)uel Command；船舶警報系統(tǒng)包含WECS Alarm H、WECS Alarm HH。

Woodward 發(fā)展的電子柴油噴射系統(tǒng)（Electronic Diesel Injection System， EDIS），其性能包含32mm Plunger diameter、45mm Cam lift、Solenoid operated valve、Injection volume up to 12cm3/stroke、Max. injection pressure 1600bar 及Designed for diesel and heavy fuel。Woodward 控制系統(tǒng)（Control Cabinet In-PulseTM）包含Electronic Control of Solenoid、Speed Control、Peripheral Equipment of the Security System and the Ship Electronics 及Power Supplies。

6 結束語

在引進專利技術進行柴油機生產時，柴油機的可靠性是用整機的耐久性試驗來進行考核的，此時大部分零部件仍然是國外生產的，通過耐久試驗的是組裝的柴油機。而零部件的國產化是一個循序漸進的過程，往往是國產化一部分零部件就裝船使用一部分，并且當國產化率很高時也沒有進行專門的整機耐久性試驗來驗證國產化后零部件的可靠性，從而將問題帶到了使用方；且國產化后的零部件可靠性考核并沒有統(tǒng)一標準。為此，在臺架試驗無法考核單個零部件可靠性時，可考慮將零部件小批量裝船考核，并跟蹤被考核零部件的可靠性情況，再決定是否批量使用。在零部件的國產化過程中一定要注重工藝過程的控制，在消化國外工藝過程的基礎上結合自己的特長進行工藝改進。對原進口零部件存在的問題應督促國外廠商進行改進，以滿足用戶的需求。

總體而言，智能化是21世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。誠然，使機電一體化產品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。機電整合系統(tǒng)是將機械技術與微電子技術整合而成的系統(tǒng)。由于其技術業(yè)已日俱成熟與穩(wěn)定，將應用于汽車引擎的電子點火及氣門正時技術，轉移至船舶柴油機的操控方式，無非是為減少船用柴油機的廢氣排放公害及降低其運轉與維修的成本。眾所周知，船用柴油機于啟動及低速運轉時時，經常冒黑煙造成空氣污染。船舶于港口航行或調靠碼頭時，需以低速運轉或啟動，而港口大都位于人口稠密的都會區(qū)附近，由船舶排放的廢氣將造成港口附近的環(huán)境污染，對于人民的健康與生命有著深遠的影響，由于環(huán)保意識獲得重視，對于船用柴油機的廢氣排放亦日趨嚴峻。因此，無論柴油機制造廠家、造船廠、船東、驗船協(xié)會及各個相關機構，無不努力地研究改進，以求其符合其相關標準，且付之實施。

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