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文|柳丝园a
编辑|柳丝园a
前言：
低速船用柴油机高压共轨电控系统硬件的仿真技术是怎么样的？它能带来什么样的反响，是否会提高柴油机的性能和减少排放？
能源危机和排放法规
由于石油储备有限作为一种非可再生资源，油价迅速上涨，燃料成本在海洋运输公司的总运营成本中所占比例也随之增加。
与车辆排放相比，船舶柴油发动机产生的氮氧化物和硫氧化物排放更为严重，但二氧化碳、一氧化碳和碳氢化合物的排放相对较低。
根据国际海事组织的统计数据，每年有数千万吨的氮氧化物和硫氧化物排放进入大气中，为了防止和控制船舶污染，国际海事环境保护委员会于 2008年10月在第58次会议上 。
通过了一个修改案，确定海洋柴油发动机的详细氮氧化物排放目标，目前节能减排技术是海洋柴油发动机未来的技术发展方向，也是生产商和研究机构关注的研究重点。
氮氧化物的排放标准，改善海洋柴油发动机性能和减少排放的主要技术方法有几种，通过增压技术提高进气空气的密度，采用先进技术将可变排气门正时，提高气缸的容积效率，改善进气和排气性能。
采用高压燃油喷射技术，优化燃油雾化和燃油与新鲜空气的混合性能，利用适当的喷油正时基于燃油喷射控制系统，在不同工况下改善燃油喷射、混合和燃烧。
高压共轨电控技术是提高柴油发动机热效率，减少排放和噪音的最有效方法之一，燃油喷射压力的波动与柴油发动机的转速和负载无直接关联。
这意味着燃油喷射压力在不同工况下是独立的，特别是在低负载条件下，通过灵活控制燃油喷射量、喷射脉宽、喷油正时、可变排气门正时等。
优化柴油发动机的过剩空气系数、燃烧起始压力、燃油雾化等性能参数，实施这些技术可以大幅降低燃油消耗和氮氧化物、颗粒物的排放。
硬件在环仿真技术
该系统是一个闭环动态测试系统，由数学模型和真实世界的物理部件组成，数学模型用于模拟系统中不存在，或无法进行实验的其他真实世界的物理部件。
有助于验证设计的控制系统方案的有效性和可行性，因为它 具有灵活的配置 ，当系统设置发生变化时，可以同时观察到所测对象的性能变化。
这种技术在现在广泛应用于柴油发动机电子控制系统的开发中，并在开发过程中起着重要作用，硬件在环仿真系统的好处体现在好几个方面。
硬件和控制策略认证提供了一个全面的仿真实验环境，此外实验数据可作为选取和匹配硬件的评估指标。
不同的发动机工况可以通过仿真来测试软件功能和控制策略，由于其可重复性，硬件在环仿真系统可以应用于不同的项目中，与实际柴油发动机台架相比，硬件在环仿真系统的实验成本更低。
可以实现电子控制系统的初步校准，仿真的发动机模型可用于匹配和校准基本控制参数，以缩短开发周期。
该技术仿真系统可用于对系统可靠性进行批量测试，通过测试可以发现易于控制和记录测试过程，并且通过计算模型的结果方便地进行分析和优化。
通常，根据用途，硬件在环仿真系统主要分为四种类型，第一种类型的硬件在环主要用于电控单元的开发和测试，发动机和机械部件是仿真模型，而电控单元是真实的。
第二种类型的硬件在环主要用于机械部件的测试，发动机和电控单元是仿真模型，但机械部件是真实的。
第三种类型的硬件在环主要用于测试电控单元和机械部件的组合，第四种类型同样也是这样。
仿真技术的应用类型
第一种类型的硬件在环不能涉及发动机和机械部件的实体，而且硬件在环的硬件成本相对较低，此外建模方法相对成熟，因此实时仿真技术正在迅速发展并广泛应用。
实时仿真系统平台的主要公司有来自德国、美国等公司，自2005年以来， 美国NI公司 引入了带有实时操作系统的硬件平台，将其丰富的1/0硬件资源进行了组合，并提供了更多选择来实现硬件在环实时仿真系统。
第一种类型的硬件在环已经进行了许多研究，相关专家实现了燃油系统的硬件在环仿真，另外的科学家们则是实现了用于电控单元设计和测试的硬件在环仿真系统。
至于第二种类型的硬件在环，德国的博世公司与EFS公司合作开发了一个系统测试平台，近年来该平台变得更加成熟并广泛应用。
根据测试需求，用户可以在测试平台上设置电控单元模型的控制参数，就比如共轨压力、压轨控制参数、燃油喷射的脉宽、喷射速率等。
研究机构和大学根据他们的研究内容和目标也成功开发了许多测试平台，还有专家开发了中压共轨柴油机系统测试平台。
上海交通大学和上海船舶柴油机研究所合作开发了，高压共轨燃油喷射系统可靠性测试平台，第二种类型的硬件在环对发动机模型的需求较小。
电控单元只能实现简单的压力控制和电磁阀控制脉冲输出，由于没有与发动机负荷相匹配的燃油喷射压力和燃油充电量，无法将高压共轨系统的性能与柴油机负荷深入研究。
第三款则不一样，根据一款船用柴油机和电子控制系统开发了一个半物理仿真平台，实验结果表明，半物理仿真平台可以在实验室条件下用于测试柴油机电子控制系统，可以缩短开发周期并降低测试成本。
欧大胜设计了一个高压共轨系统测试平台，并在该平台上进行了一系列测试，包括高速电磁阀的响应特性、电控燃油喷射器的液压响应、高压共轨系统的雾化特性、共轨腔压力波动的控制、共轨高压泵的密封性和密封性能、电磁阀喷油器的燃油喷射特性以及电控单元的性能测试，这种应用需要更高可靠性的发动机模型。
第四种类型的硬件在环与完整的原始柴油机非常相似， 上海交通大学 设计了一个基于高压共轨柴油机的电控高压共轨柴油机试验台系统，利用该系统来匹配和校准的电子控制系统。
总的来说几乎所有的电子控制系统试验台都适用于高速和中速柴油机，但很少有报告和论文介绍用于低速船舶柴油机的试验台。
低速船舶柴油机的高压共轨电子控制系统
如今带有高压共轨的低速船舶柴油机已成功投入商业运营，这些带有高压的船舶柴油机主要包括很多可以灵活控制的船舶柴油机，电子控制型船舶柴油机以及日本三菱的排放控制型船舶柴油机。
与传统柴油机相比，灵活控制型船舶柴油机去除了一些组件，如排气阀驱动装置、燃油泵、凸轮轴、方向改变伺服电机、燃油连杆、起动空气分配器和凸轮轴驱动装置。
这些组件被燃油供给装置、共轨装置、喷油控制装置、排气控制装置和沃茨拉引擎控制系统所取代。
沃茨拉引擎控制系统通过高速电磁阀和液压力来控制燃油喷射和排气阀的机械运动，向其输出 24V直流脉冲信号。
燃油喷射控制装置和排气阀控制装置中的高速切换电磁阀由电磁力驱动，而液压力则由伺服油共轨管道中的高压伺服油产生。
根据船舶柴油机的不同工况，沃茨拉引擎控制系统可以灵活控制喷射起始角度、燃油喷射脉冲宽度，以及排气阀的开启和关闭角度，并充分考虑机械延迟。
采用了多喷射系统后，每个气缸装配多个喷嘴，灵活控制型型船舶柴油机的直径在600毫米及以上的气缸上每个气缸安装了三个喷嘴。
灵活型船舶柴油机的电控系统结构比较奇特，在该型号船舶柴油机中， 直径为600毫米 及以下的气缸每个气缸安装了两个喷嘴。
当船舶柴油机启动时，通过由沃茨拉引擎控制系统产生的24V直流脉冲控制信号，上部气缸上的启动空气阀打开，并且活塞通过启动空气带动曲轴旋转。
ME型海用柴油发动机
ME型海用柴油发动机主要由一个，用于开启燃油喷射阀和排气阀的液压机械系统组成，主要的执行部件包括两个三通电磁阀、增压泵、燃油喷射器和电控排气阀等。
在高压共轨系统中只有一个高压伺服油公共管道，伺服油泵通过齿轮由柴油发动机驱动，将 20MPa的高压 伺服油输送至伺服油公共管道。
然后高压伺服油通过电磁阀驱动增压泵和排气阀活塞，在燃油系统中，每个气缸单独组装了一个燃油增压泵。
在伺服油压力的帮助下，燃油 压力从1MPa升至75-120MPa ，电磁阀通过液压油流控制柱塞的运动，从而实现燃油喷射的时机、喷射压力和喷射量的控制。
在这两种海用柴油发动机中，传统发动机类型中的机械控制凸轮被丢弃，不再用作燃油喷射和排气阀门定时的控制核心，取而代之的是更精确、更灵活的电子控制单元和电液机械切换设备。
这一革命性的改进为低速海用柴油发动机提供了更灵活的调节控制参数的特性，例如燃油喷射时机、燃油喷射脉宽、排气阀门时机等。
在不同条件下，可以优化空燃比、燃烧起点压力、燃油雾化率，从而实现降低燃油消耗和排放，特别是在低负载工况下，减少氮氧化物排放的影响更为显著。
这两种类型都采用了高压燃油喷射技术来提高燃油雾化率，同时也保证了柴油发动机在低速和低负载下的稳定运行，这两种类型的最低稳定转速 可以达到每分钟15转。
分析了两种低速智能船用柴油机的典型结构和功能特点，灵活性船用柴油机电控系统系统是功能独立但结构不可分割的液压机械系统。
该系统由供油单元、共轨单元、喷油控制单元、排气控制单元等组成，沃茨拉引擎控制系统是电控系统的控制中心。来自它的控制信号和轨道压力调节器信号直接影响电控系统系统的工作流程和状态。
ME船用柴油机共轨单元采用单缸与燃油增压器组装的形式，在伺服油压的帮助下，数控阀可以按照各种喷射规律进行燃油喷射，改善了不同工况下的燃烧过程，将实现降低油耗和排放。
参考文献：
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