【船机帮】船用电控柴油机液压系统特点及管理要求

导读

MAN B＆W公司2003年以其最成功的 MC系列柴油机为原型机，开发出全电子控制式的ME系列柴油机。

ME意即：

Engine Program Electronically Controlled，该系列机型将经过验证的传统技术与增强的电子控制系统相结合，是电子控制的无凸轮轴的低速二冲程柴油机。

与传统的 MC 系列柴油机相比，ME 系列柴油机取消了原来的许多复杂的机械控制设备以新型电子控制设备取而代之，自动化程度更高，无论在结构上还是在控制技术方面都有相当大的差别。

本文主要介绍 ME 系列机型电液控制系统的特点与管理要求，以帮助轮机管理人员适应新设备、新技术的管理。

一、ME 系列柴油机特点

1、ME 系列柴油机的结构特点

ME 系列柴油机上的电液系统替代了 MC 系列柴油机的以下零部件:

凸轮轴的链传动;燃油凸轮、排气凸轮、示功凸轮及凸轮轴;燃油泵执行机构，包括滚轮导筒及换向机构;常规燃油喷射泵及可调喷油定时系统;排气阀执行机构及滚轮导筒机构;柴油机起动空气分配器;调速器及其执行机构;调油轴;应急操纵台;机械式气缸注油器。

ME 柴油机的新型电液控制系统包括以下部件:

液控供给单元HPS(Hydraulic Power Supply);液压控制单元 HCU(Hydraulic Control Unit);柴油机控制系统 ECS( Engine Control System);电控起动空气阀;辅助鼓风机的集成电子控制装置;集成电子调速器;曲轴相位角传感器和测速系统;气缸润滑用的阿尔法注油器;机旁操作面板。

2、ME 柴油机的性能特点

与传统机型相比，ME 柴油机的主要特点如下:

 （1) 经济性好，主要体现在节省燃油量和滑油量。

在燃油喷射系统中，采用电控阀(Electronic Fuel Injection，ELFI)，可以使柴油机在低负荷运转时，仍能保持相当高的喷射压力，精确地控制喷油量，降低了燃油消耗。

在气缸润滑油系统中采用了阿尔法(Al- pha)注油装置，与传统的柴油机相比可以节省滑油量为 0.4g /kW·h·cyl。

（2) 具有很强的运转适应性，主要表现在燃油喷射系统上，包括:

①能够自由地选择喷射压力。

根据不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能，降低了柴油机在部分负荷时的油耗;

②精确地控制燃油喷油量。

柴油机由 ELFI 控制喷油，其控制精度高，高压油管压力稳定，在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油均匀，柴油机工作稳定; 

③可独立地控制喷油正时和喷油速率变化，实现预喷射和多次喷射，达到理想的喷油规律，配合高的燃油喷射压力，能保证良好的动力性和经济性，同时还能将柴油机的 NOx和微粒(PM)排放控制在较小的数值内，以满足排放要求; 

④燃料适应性好。

对于不同的燃油，特别是劣质燃料油，可根据燃油需要改变喷油正时和气阀定时，并且在任何负荷条件下工作无可见排烟。

这些对于凸轮驱动的机械机构几乎是不可能实现的。

此外，冷却系统、增压系统和气缸注油系统也具有很强的运转适应性。

 （3) 可靠性高。

主要在于电控型柴油机减少部分机械设备———凸轮轴及其驱动机构，使得柴油机具有低的故障率和良好的维修性能。

因此柴油机具有更长的使用寿命和维修周期，由于采用了电子控制，在柴油机的全寿命过程可进行软件升级，具有明显的智能特征。

（4) 具有各种不同的操作模式。

ME 柴油机在操作过程中，可轻易转换操作模式。

各种不同的操作模式是指可以根据不同的要求由操作者选择机器的运转模式，如经济性模式、排放控制模式、安全模式和低负荷运转模式等，并保证发动机一直处于最优化状态运转。

（5) 完善的状态监测和控制系统。

主要包括一体化的速度控制设备，在线的柴油机故障诊断系统，活塞工作状况和燃烧可靠性的监测及对气缸注油的优化等。

能够在线监测柴油机的运转状况，确保各缸的负荷均匀分布，防止发动机超负荷，在故障发生之前能够早期报警。

二、ME 柴油机电液控制系统

1、ME 柴油机电控系统(ECS) 

ME 柴油机的电控系统如图 1 所示，其主要控制单元及其功能为: 

（1) 柴油机人机交互界面控制单元 EICU(Engine Interface Control Unit)——处理柴油机与外部控制系统的接口，如航行指令的接受、遥控系统、报警系统、车钟、螺距控制系统和电源管理系统等。

（2) 柴 油 机 控 制 单 元 ECU ( Engine Control Unit)———管理与柴油机有关的控制功能。

如主机起动/停车、主机转速控制(调速功能，包括负荷限制保护)、主机运行模式(包括燃油喷射和排气运行参数计算)。

（3) 气缸控制单元CCU(Cylinder Control Unit)———控制燃油喷射和排气正时、起动空气正时和气缸注油正时。

（4) 辅 助 控 制 单 元 ACU ( Auxiliaries Control Unit)———控制电动泵、机带增压泵、辅助鼓风机。

柴油机控制系统的所有控制单元都采用相同的计算机，或称多功能控制器(Multi Purpose Controller)，只是根据各自的识别钥匙( ID key)下载不同的软件执行各自的功能。

所有控制单元包括网络线均有冗余设计，互为备用，确保柴油机安全可靠运行。

另外，ME柴油机安装主操作板MOP(Main Operating Panel)，提供人机操作界面，用于选择运行模式、显示/调整运行参数、显示报警情况等。

在机旁还布置机旁控制板LOP(Local Operating Panel)，用于在机旁对柴油机进行应急操纵。

2、ME 柴油机的液控系统

液控系统以柴油机系统滑油作为介质，通过安装于柴油机上的液控供给单元(HPS)获得所要求的液压压力。

滑油经由主滑油泵后分为两部分，一部分用作正常的各轴承润滑和活塞冷却，一部分进入液控系统。

进入液控系统的滑油首先经由自清式细滤器过滤，再由液压泵加压到安全蓄压单元(用来保持恒定压力20MPa供给HCU)，通过双壁管进入每个气缸的HCU，一部分流向燃油升压器，可将燃油供应压力由1MPa升高到特定的依负荷而定的 60～100MPa，一部流向排气阀驱动器，提供排气阀开启所需的液压。

液控系统避免了传统的机械连接提高了柴油机运行时的灵活性、可靠性，液控系统如图2所示，主要包括:液控供给单元、液压控制单元、柴油机控制系统、曲轴位置传感系统等。

（1）液控供给单元(HPS)

图2 虚线框内部分为HPS，其主要功能是为柴油机提供燃油喷射和排气阀开启所需要的动力，一般布置在柴油机的后端。

主要组成部分有:10μm 的自清式滤器、25μm 的旁通滤器、电动液压泵、机带液压泵、安全蓄压单元、高压管路等。

（2）液压控制单元(HCU)

液压控制单元每缸一个，HCU 中有两个非常重要的电子控制阀:

电子燃油喷射控制阀(ELFI) 和电子排气控制阀(ELVA)，二者分别用来控制各缸燃油喷射和排气阀的启闭。

HCU 的设计考虑尽可能减少管道，用双壁高压管将所有 HCU 内连，再与 HPS 装置器连接起来。

双壁高压管上装有压力控制阀和流量报警传感器，万一内管破裂，外管可作为高压管，柴油机仍可应急运行。

燃油升压器的工作过程如图3所示:

①活塞运动到底端位置;

②燃油进口打开;

③液压油通过ELFI阀进入回油腔;

④共轨中的液压油压力保持恒定;

⑤ ELFI 阀向上运动，液压油进油口打开，回油口关闭，液压油通过ELFI进入增压腔;

⑥液压油驱动大活塞向上运动;

⑦燃油进口关闭;

⑧燃油压力升高，当压力超过喷油器弹簧预紧力时，针阀开启，开始喷油，排气阀驱动的工作过程类似于燃油升压器，通过ESC 精确控制排气正时，还能调节压缩比，这是传统机型所不能满足的。

三、液压系统管理要求

ME 机型最大的特点就是用系统润油作为液控系统的动力油，这样润滑和液控系统使用同一种油，管路设计方便，经济性好;但是液控系统是由精密的阀件控制的，对油的清洁度要求很高，而润滑油通过循环，会带回很多污物，这些污物可能造成阀件动作延迟或卡死，或阀件磨损加剧，从而产生密封不好等一系列问题。

统计资料显示，在所有液压系统的故障中，由于液压油污染造成的故障占70%－75% ，这足以说明，在液压系统中控制了液压油的污染，就基本上控制了故障的发生。

然而，目前电控柴油机管理者仅对整机系统的管理有基本了解，对液压系统的科学管理往往重视不足，结果使得液压系统中某些元件过早出现磨损，甚至失效，大大降低了液压系统运转的可靠性和使用寿命。

因此，要提高管理水平，增强对液压油污染的控制意识，加强对液压油污染的检测，这样才能更大限度地降低电控柴油机液压系统的故障率，从而提高电控柴油机的工作可靠性。

1、控制电控柴油机液压油污染

液压油污染物的来源主要有:

系统结构潜在性、环境污染、自生污染、维修污染等。

控制油液污染对保证液压系统可靠工作和延长使用寿命相当重要，主要应抓住以下几个环节。

（1）系统清洗

新组装的或经大修后的液压系统中必然会残留大量污染物，需要彻底清洗。

清洗时最好采用清洗泵对系统进行循环冲洗，也可利用系统本身的油箱和液压泵。

清洗液可用系统准备使用的油液，或与它相溶的低粘度油液，切忌用煤油或汽油作清洗液。

清洗时应尽可能采用大流量(在管路中呈紊流状态)。

系统中应增设高性能滤器，并使各元件动作，敲打各焊口和连接处，直至滤器上再无大量污染物为止。

（2）防止污染物侵入

防止固体杂质侵入的主要措施是:

在油箱呼吸孔装设空气滤清器( 精度与系统内最细滤器精度相同);系统注油时必须经过过滤，过滤精度不得低于系统要求;拆修液压元件时要特别注意保持清洁;定期清洗油箱，清洗油箱时不准使用易残留纤维的织物，油箱内壁不准涂可能脱落的油漆;定期打扫卫生，保持柴油机外部的清洁。

防止空气进入系统的措施主要为:

油箱油位必须保持在要求范围内(一般为油位计限定油位的2/3左右)，泵的吸入管口和系统回油管口必须插入最低油面之下，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡;初次充油时应耐心地驱除系统中的空气，空气与油液混合后便很难除净。

液压系统混入水分的途径主要是油箱和冷却器。

大气中的水分很容易通过油箱呼吸孔进入液压油;还要特别注意防止冷却器盘管锈穿而渗漏。

油柜中沉淀的放残以及分油机离心分离等，都要认真按操作规程操作，及时将水分排除系统。

（3）系统的过滤

严格过滤对液压系统可靠性起重要作用，过滤精度一般按系统中对杂质敏感度最大的元件来选择。

对初次使用的系统滤器应及时清洗(500h)，以后仍应按说明书要求的周期(或按滤器前后压差增加的程度)进行。

（4）定期检查液压油质量

长期使用的液压油质量会恶化，必要时予以更换。

但是，确定液压油的使用期限是困难的，它随工作条件、系统元件、系统所用材料、以及管理好坏等变化差异很大，一般对使用期限只能作大致估计，所以要定期检查，发现问题及时解决甚至更换油液。

换油时应先将油箱中的液压油放掉，严格按说明书要求清洗系统内部后，经过滤加入新油。

2、控制泄漏

漏泄使油液损失，效率下降，严重时使系统不能正常工作。

因此，对各密封部位，特别是液控动力油的高压部分，应定期检查，加强维护，及时更换失效的密封件，消除异常漏泄。

容易老化的密封件，不论其是否明显损坏，均需定期更换，切不可为节省备件费用而因小失大。

使用中定期检查工作油箱油位可帮助判断漏泄情况，也可及时发现大量水分混入的现象。

另外，应保持柴油机液压系统外围的清洁，以便及时发现任何泄漏先兆。

3、加强对管理人员的培训

对于电控柴油机的管理人员，应该加强理论学习与实践培训相结合，以提高维修管理人员分析与解决故障的能力;增强管理人员对液控系统原理及液压设备构造的理解以利于检修与管理;同时对发生的每个故障进行详细的分析并进行经验交流，以提高管理人员判断和处理故障的能力。

结合电控柴油机的说明书和这几年的管理经验，制定一套严格的管理制度、监督机制和维修保养计划，增强操作人员遵章操作的意识，不断提高管理人员的素质，以减少电控柴油机故障的发生，确保船舶的安全，减少经济损失。

四、结语

电控柴油机是柴油机发展过程的一次技术革命，大大提高了柴油机的可靠性、稳定性，尽管如此，电控柴油机还有诸多不足之处，如对动力滑油的清洁要求很高，对液压管路的密封性要求高等。

若管理人员没有维护好液压系统，使液压油受污，很可能会造成精密零件的损坏，甚至整机瘫痪，可见液压系统的日常管理在 ME 柴油机管理中是很重要的一部分。

未来的船舶推进动力装置，智能化程度高，控制灵活优化，减轻了轮机管理人员的劳动强度和减少了船上人员配备，但对船员及船舶管理人员也提出了更高的要求。