浅谈柴油机零部件优化改进

童顺波

摘 要：柴油机零部件的是柴油机安全高效运转的关键，在现代工程、机械项目对于质量的要求越来越高的发展局面下，有必要进一步优化改进柴油机零部件的性能，从而确保柴油机更为有效的运转使用。机电一体化是近些年来所大力推广的技术，其在柴油机零部件优化改进工作中同样发挥着重要的价值，因而有必要有针对性的、科学合理的应用机电一体化技术。在这种背景下，文章首先概述了柴油机零部件优化改进的机电一体化需求，进而分析了燃料油喷射装置控制电子化改进与调速器装置控制电子化改进，最后分析了气缸与排气阀的控制电子化改进，并进行了总结，以求为更好地开展柴油机零部件优化改进工作提供必要的借鉴与参考。

关键词：柴油机；零部件；优化改进；机电一体化

1 柴油机零部件优化改进的机电一体化需求

柴油机是交通运输中耗能最低的动力机械，使用面广，拥有量大。近十年来，国外十多个经济发达国家的柴油机厂商，大学和研究所竞相开发了以微型计算机为核心的电子控制柴油机（包括部件的电子化改造和全新电控柴油机品种），使柴油机从只能在设计工况点较优化运行转变为可在全部运转工况范围最优化运行，收到较大幅度节能，可燃烧劣质燃料，改善大气污染，提高低负荷扭矩和降低最低稳定转速等效果。同时使柴油机增加了自动检测、自动显示记录、自动调节、控制以及自动诊断与保护等功能，因而具有若干“智能”特征，从根本上改变了传统柴油机的面貌。

在新技术革命的浪潮中，微电子技术的飞速发展和向机械工业的渗透，形成了机械微电子复合技术-机电一体化技术，涌现出一代新产品-机电一体化产品，这类产品应用范围大，覆盖面宽。从社会到经济，从生产到生活，从简单的耐用消费品到复杂的社会生产和管理系统，机电一体化几乎达到“无孔不入”的境地；从而使机械工业的技术结构、产品功能和构成、生产方式和管理体系发生了巨大的变化，也使工业生产从“机械电气化”跨入以机电一体化为标志的发展阶段。随着人类对生存环境和生活质量的要求不断提高，对柴油机排放的限制也越来越严格，不仅对碳氢化物（HC）、碳氧化物（CO）、氮氧化物（NOx）及微粒排放（PM）限制，而且已开始对二氧化碳（CO2），也就是耗油量有所要求。对柴油机而言，主要是氮氧化物，因此，国际海事组织（IMO）对于130kW以上的柴油机制定排放标准和法规，该法规也针对氮氧化物排放制定出标准。

自往复运动机械诞生以来，柴油机的喷油装置及进排气阀，均由曲拐轴的凸轮控制驱动。对于传统柴油机而言，其喷油及进排气阀定时受至于凸轮的形状。因其凸轮的形状的设计是为适应柴油机于高负荷状态下使用，换而言之，当柴油机于低负荷时，由于燃油凸轮因回转速度延迟，而使燃油泵的柱塞运动较慢，因此，燃油受到压缩时间较长，燃油要维持于高压的喷射压力较为困难。为改善上述缺点，低速柴油机朝向电子点火方式发展，亦即为无凸轮装置的柴油机。柴油机机电整合系统，其包含燃料喷油装置、排气阀及空气启动阀等的启闭控制；启动及反转、速度调整及气缸油注油装置的控制等及原有的电子控制与监视系统，文章于下将分别予以说明介绍。

2 燃料油喷射装置控制電子化改进

柴油机的燃油喷射过程为间歇性过程，仅为于每一工作循环中的极小部分时间内进行。喷射过程为由喷射泵输送来的燃油，经高压油管经由喷嘴喷入气缸，喷嘴的喷孔面积相对于喷油泵的瞬间排油率而言为极小，因此，燃油是以极高速喷入气缸，与此同时就在燃油系统内建立极高的压力。喷出的高速燃油流，在其内部的原始扰动及外部摩擦力作用下，当其大于燃油自身的表面张力时即脆裂，即所谓燃油雾化。

将燃油视为不可压缩的流体，燃油系统于工作时整个系统内各处的燃油其状态于同一时间内均为一致。实际上，从高压油管两端压力与流量的差异，以及喷油率与供油率随时间的变化，其系统状态变化为不稳定流变化。为改善此状况，因而发展出共轨式燃油喷射系统。

燃油喷射装置机能：（1）高压喷射。柴油机于低负何时，其燃油喷射压力较低，雾化效果较差，因而燃烧不良，于废气排放中含有大量的微粒；若能提高其喷射压力，则能改善废气排放。（2）喷射定时。随着柴油机负荷率的改变，针对燃油特性所需最佳喷射定设定时，将可减少耗油量及降低废气中NOx排放的污染。（3）喷射量。燃油喷射量多寡将影响气缸内的燃烧压力，各缸喷射量不均匀，会造成柴油机各缸的出力不平衡。（4）喷射形式。初期喷射少量燃油，可抑制预燃现象，对于降低NOx排放有显著效果；若安装有先导喷射泵（pilot nozzle），则主喷射燃烧延迟缩短，对于将降低震动、噪音及NOx排放有显著效果。

燃油喷射系统最佳状况为于整各负荷范围内，其喷射压力均能维持高压状态。低负荷时，为燃烧延迟；高负荷时，为燃烧提前，将减少耗油量及降低废气中NOx排放的污染。为达上述要求，已将传统机械控制式喷射系统，改变为电子控制共轨燃油（Common Fuel Rail）喷射系统。燃油喷射系统可分为增压式及蓄压式两种，机械式属于增压式系统；共轨式属于蓄压式系统，而MAN B&W 发展的Slid Type Fuel Nozzle 则属于增压式及蓄压式混合式。

目前柴油机厂有关燃料油喷射装置控制电子化发展趋势介绍说明如下：（1）MAN B&W 柴油机。ME系列低速柴油机采用共轨式燃油喷射系统，燃油喷射泵为两段式，于低负荷时为一段喷射；高负荷时为二段喷射，其喷射率、喷油定时、喷射时间及压力均可调整。另于中高速四冲程柴油机如L16/24、L21/31系列亦采用共轨式燃油喷射系统。（2）WARTSILA SULZER。RT-flex系列低速柴油机采用共轨式燃油喷射系统，每缸上有三组燃油喷嘴（Fuel Nozzle），于启动及低负荷时为一组喷射；于中负荷时为二组喷射；高负荷时为三组喷射，其为程序控制，其喷射量及喷射形式可调整。另于中高速四冲程柴油机系列如32及46亦采用共轨式燃油喷射系统。（3）MTU。中高速四冲程柴油机，如MTU2000、MTU4000及MTU8000系列均采用共轨式燃油喷射系统。

3 调速器装置控制电子化改进

柴油机的不同转速，为经由改变每一循环的供油量来获得的。若于一定的外界负荷条件下，供给柴油机的燃油量能使柴油机产生的功率与外界负荷互相平衡，柴油机则于某转速下稳定运转。当外界负荷变化时，处于平衡状态的柴油机就出现不平衡。为使柴油机的功率与新的负荷相适应，必须及时改变喷油量，而喷油量的改变是经由调速器来控制。传统的机械油压式调速器无法完全适应新型柴油机的发展，因而发展出电子调速器。

电子调速器的功能：（1）柴油机燃料控制。a.启动时燃料抑制控制。启动时，经由设定燃料油杆位置来抑制燃油喷入量，作为第一段喷油。当转数超过70%时，则进行第二段喷油。如此，可降低启动时冒黑烟。b.加速时燃料抑制控制。加速时，对应柴油机转数的变化，燃料油杆亦随之变化，为抑制其急剧的变化，因此，必须加以设定。当输出功率变化趋稳时，则针对此时的负载自动调整燃料油杆的位置。（2）柴油机速度控制。a.速度控制机能。柴油机转数的高低是靠改变油门开度来实现的。不管柴油机与螺旋桨是直接带动还是间接带动，根据能量守恒定理知：柴油机输出的有效功率和被螺旋桨吸收的功率始终保持平衡的。b.加减速设定。调速器主要的功能是能维持柴油机转速于所预期的转速下，安全而且有效地运转。由操车杆车 的转数和发动机实际转数，相互比较其偏差值，而以偏差值去驱动作动器，而由作动器带动油门杆来增减发动机的转数；再由发动机的转数与车 的转数作比较，而重复其动作，直到两者转数一致为止。

4 气缸与排气阀的控制电子化改进

4.1 氣缸油注油器控制电子化

低速柴油机随着增压度的提高及燃用重质燃料油，气缸的润滑为严重的问题。因此，除采用带碱性添加剂的黏度适当，抗氧化能力较强，散布性较好的汽缸油外，还采用高压脉冲、定时定量滴注方式进行润滑。

机械式注油器，每缸注油器有多个油嘴，分别供应至气缸套四周，是经由注油器的滑油，流过安装于汽缸套止回式的喷嘴，喷入汽缸内，一部分被燃烧，另一部分借助活塞油环布于缸壁上，多余的被刮到扫气箱内，由污油口排出。

电子式注油器与机械式注油器主要不同的，电子式没有油量调整机构，以活塞行程的设定取而代之，当行程固定时，则以时间内活塞来回次数控制油量。电子式注油器作动原理，经由柴油机转数、曲柄轴角度及燃料油杆位置的信号侦测，在借助微处理器控制单元计算出柴油机的输出功率，而后输出信号至注油器的电磁阀，控制注油器喷油量。当输出功率变化时，待其负荷稳定后，则针对此时的负载自动调整注油器的注油量。

4.2 排气阀控制电子化

柴油机把气缸中燃烧后的气体清除，并以新鲜的空气充填，喷入气缸的燃料才能进行燃烧，化学能经燃烧后转变为热能，柴油机才能不断输出功。因此，换气之后于气缸中可用于燃烧的空气量，相应也就限定所能燃烧的燃料量，因而，柴油机换气质量的好坏，与其作功能力有极大的关系。

柴油机于标定功率以同样的平均有效压力运行，若缸内的空气越多，则空气与燃油的比率就越大，即为产生完全燃烧创造有利条件。另外，此时燃烧过后的燃气比热较低，相对其比热比较大，依据热力学理论循环效率分析可知，比热比大的工质其循环效率高，由此可知，换气过程对于柴油机的热效率有极大的影响。

机械式的可变气阀正时机构，利用两根凸轮轴分别驱动进气阀与排气阀，借助由机械方式分别改变此两根凸轮轴与曲轴的相对位置关系，来实现气阀正时的改变。此种方式响应快，运行速度几乎不受影响，但其缺点是难以实现进、排气阀的开启与关闭时刻的独立调控。

以电磁伺服阀控制的电动油压可变气阀正时机构，具有调控灵活、容易与电子控制技术结合的优点，但其工作响应速度慢，适合于中低速柴油机。目前二冲程直流扫气柴油机，其排气阀是利用空气弹簧替代气阀弹簧来关闭，以电子控制方式控制电磁阀，实现其正时调控。其主要功能有二种，一为控制气阀的落座速度；另一为控制气阀的最大升程。

5 机电整合系统

ME 系列柴油机控制系统，包含主操作盘（Main Operation Panel， MOP）、柴油机接口控制单元（Engine Interface Control Unit， EICU）、机侧控制盘（Local Control Panel， LCP）、柴油机控制单元（Engine Control Unit， ECU）、汽缸油控制单元（Cylinder Control Unit， CCU）及辅机控制单元（Auxiliaries Control Unit， ACU）。ME 系列柴油机操作模式分为低燃料消耗模式（Economy Mode）及低废气排放模式（Emission Mode），两种操作模式其耗油率（SFOC）、NOx排放、最高压力（Pmax）及压缩压力（Pcomp）完全不同。低燃料消耗模式运转时，完全为符合其经济运转，但其NOx排放仍符合IMO的要求；低废气排放模式时，为符合IMO航行于特别海域低排放的要求。

RT-flex 系列柴油机控制系统WECS9500，包含遥控系统（Remote Control System）、电子调速器（Electronic Speed Control）、船舶警报系统（Ship Alarm System）及备用盘（Backup Panel）。遥控系统包含Start、Ahead、Astern、Brake、Slowturning、Slowdown、Charge Air Pressure；备用盘包含Ahead Backup、Astern Backup、Fuel Command Backup、Start Backup；电子调速器包含Fuel Command；船舶警报系统包含WECS Alarm H、WECS Alarm HH。

Woodward 发展的电子柴油喷射系统（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 控制系统（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 结束语

在引进专利技术进行柴油机生产时，柴油机的可靠性是用整机的耐久性试验来进行考核的，此时大部分零部件仍然是国外生产的，通过耐久试验的是组装的柴油机。而零部件的国产化是一个循序渐进的过程，往往是国产化一部分零部件就装船使用一部分，并且当国产化率很高时也没有进行专门的整机耐久性试验来验证国产化后零部件的可靠性，从而将问题带到了使用方；且国产化后的零部件可靠性考核并没有统一标准。为此，在台架试验无法考核单个零部件可靠性时，可考虑将零部件小批量装船考核，并跟踪被考核零部件的可靠性情况，再决定是否批量使用。在零部件的国产化过程中一定要注重工艺过程的控制，在消化国外工艺过程的基础上结合自己的特长进行工艺改进。对原进口零部件存在的问题应督促国外厂商进行改进，以满足用户的需求。

总体而言，智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。机电整合系统是将机械技术与微电子技术整合而成的系统。由于其技术业已日俱成熟与稳定，将应用于汽车引擎的电子点火及气门正时技术，转移至船舶柴油機的操控方式，无非是为减少船用柴油机的废气排放公害及降低其运转与维修的成本。众所周知，船用柴油机于启动及低速运转时时，经常冒黑烟造成空气污染。船舶于港口航行或调靠码头时，需以低速运转或启动，而港口大都位于人口稠密的都会区附近，由船舶排放的废气将造成港口附近的环境污染，对于人民的健康与生命有着深远的影响，由于环保意识获得重视，对于船用柴油机的废气排放亦日趋严峻。因此，无论柴油机制造厂家、造船厂、船东、验船协会及各个相关机构，无不努力地研究改进，以求其符合其相关标准，且付之实施。

参考文献

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