海船船员适任证书知识更新船用电喷柴油机控制综合系统.doc
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1、第十四章 船用柴油机智能控制系统伴随智能控制在陆上工业各领域广泛应用和成熟,船上控制系统也发生改变,最先引入智能控制是船舶航向自动操舵仪,随之航迹保持器。到了上个世纪80年代未,引入船舶主机,形成了智能型柴油机概念。因为大家对船舶可靠性、经济性和废气排放控制日益关注,90年代各大船舶主机制造商相继在试验室开展了智能柴油机研究,1993年MAN B&W企业研制出试验机,在试验室中运转。1998年首台智能型柴油机安装在挪威Bow Cecil轮上。11月使用智能系统船舶主机进行试航,并经过了DNV等船级社认可,初MAN B&W企业正式推出了电子控制ME系列柴油机。而瑞士Wartsila企业在1998
2、年首先推出了共轨式全电子控制智能型柴油机Sulzer RT-flex(电控等压喷射)燃油喷射系统,该系统实现了无凸轮轴柴油机燃油喷射,排气阀启、闭,起动空气和缸套润滑全电控制,甚称柴油机第三次革命。本章首先关键介绍智能型柴油机控制系统基础结构和工作原理,然后介绍Sulzer RT-flex型智能柴油机控制系统和MAN B&W ME系列智能型柴油机控制系统。对于智能型柴油机和传统柴油机在机械结构区分及工作原理在船舶柴油机中介绍,此处不重述。第一节船用柴油机智能控制基础原理一、概述 智能控制引入船舶主机控制系统是从智能调速器开始,它把船舶主机现时排烟中含氧量、温度、增压器压力、转速等信号全部引入控
3、制系统,依据现时主机给定转速和实际转速偏差大小,再综合现时排烟温度、增压器压力、含氧量等来决定燃油量,使其充足燃烧,达成经济性要求。不过,影响船舶柴油机燃油燃烧充足是否原因很多,不仅和增压器压力大小,输入新鲜空气量大小相关,还和喷射开启时间、喷射时间连续长短、燃油喷射压力相关,而且不一样柴油机转速下,它们也是不相等。所以,当初智能型调速器就达不到减排高效目标,只能经过传统柴油机本身结构上突破,才能提升船舶主机可靠性、经济性和降低排放。Wartsila企业首先提出共轨技术,在传统Sulzer RTA型柴油机上取消了废气排气阀驱动装置(exhaust valve driver)、燃油泵(fuel
4、pump)、凸轮轴(Camshaft)、可逆(倒车)伺服马达(reversing servomotor)、燃油连接(fuel linkage)、起动空气分配器(start air distribution)和凸轮轴驱动(camshaft drive)等机构。Common Rail(共轨)装置,用来建立燃油压力,采取液压控制废(排)气阀启、闭操作,容积喷射控制单元(Volumetric InjectionControl Unit)控制燃油流量和喷射时间;燃油供给单元(fuel supply unit)替换原有燃油泵来提供高压燃油,由液压伺服油泵提供动力液压油,RT-flex型智能柴油机结构示意图
5、,图14-1-1所表示。 图14-1-1 RT-flex型智能柴油机结构示意图二、智能型柴油机共轨技术采取传统机械结构柴油机无法实现高效减排目标,只有经过机电一体化设计对传统柴油机在结构上进行变革,才能实现高可靠性、经济性和高效减排目标,经过几十年研究,诞生了柴油机共轨技术。图14-1-2为瑞士Wartsila企业研制Sulzer RT-flex型船用低速柴油机电子控制共轨技术系统。从图15-1-2中能够看见,该系统取消了凸轮轴装置对其喷油和排气控制,取而代之是WECS 9500控制系统,它给各缸气缸控制单元(CCU)发送燃油喷射控制信号,气缸控制单元,依据这个指令和本缸气缸活塞位置等来控制燃
6、油喷射量、喷射时间、喷射方法(一次性喷射,脉冲性喷射)和喷射油头个数。排气阀控制是由WECS9500控制系统发出指令给各缸控制单元(CCU),CCU就依据指令给本缸排气控制电磁阀通电,控制高压伺服油,去驱动排气阀使之排气;而柴油机起动也是由WECS9500控制系统依据曲柄角度传感器送来曲柄位置信号来判别各缸活塞位置,从而发出哪个缸应打开起动阀进气,进行起动。这里起动阀也是采取电动控制电磁阀。 图14-1-2 SulzerRT-flex共轨技术系统示意图从图上看,各缸燃油压力全部是一样,各缸液压伺服油压力也是一样,由此而得名,称之为共轨技术,只不过各大柴油机制造商所采取压力不一样而已。象瑞士Wa
7、rtsila企业Sulzer RT-flex机型是采取1000 bar高压燃油压力,而MAN B&WME系列是采取7-8bar低压燃油压力,它需进行二次增压后才能喷射。三、智能型柴油机控制系统组成和关键功效 1智能型柴油机控制系统组成要实现柴油机高效率和降低废气排放量,采取传统机械结构是无法达成,只有经过机电一体化设计才能实现。利用电控制手段,才能做到灵活多变,适应不一样柴油机工况要求。船舶柴油机智能控制系统关键由以下各部分组成:(1)运行模式选择程序部分它关键由低排放控制模式、燃油经济性模式、主机运行保护模式、应急停/倒车最优化等模式组成。智能控制系统可依据船舶航行实际情况,由驾驶台或本身控
8、制系统选择对应所需运行模式。 (2)主机控制系统它关键由气缸喷射油量控制、燃油泵控制、气缸压力测量和分析、最大功率Pmax控制、排气阀控制、压缩压力控制、增压系统控制等单元组成,它控制了柴油机各系统运行。(3)主机工况监测、分析和管理主机工况监测、分析和管理应能自动采集主机多种运行参数,并经过计算机控制,使主机一直运行在最好状态,它关键由活塞环或气缸套工况监测、气缸压力监测、扭力和振动监测和柴油机智能管理等单元组成。总而言之,智能型柴油机控制系统组成可用拓扑图表示,图14-1-3所表示。 图14-1-3 智能型柴油机控制系统组成示意图 2智能型柴油机关键功效要实现智能型柴油机多种功效,要靠现代
9、自动化、计算机、通讯等技术手段来支持。首先将检测回来柴油机多种运行状态信号送到计算机进行处理(根据最好工作模式,使柴油机燃油效率最高,排放最低),处理结果对柴油机燃油喷射系统、电子调速系统、增压系统、排气阀系统等进行控制,这就要求检测信号传感器反应快,可靠性高,计算机运行速度快,各系统实施机构动作快、灵敏和可靠。其次是对柴油机管理维护、故障诊疗等进行深层次管理,使柴油机在寿命期限内达成最大效率。它关键完成柴油机各工况监测,统计历史数据,对其进行分析,检测出磨损量,估计出检修、更换备件时间表,同时,还能对备件进行管理,少件或缺件自动形成申购表。经过检测回来柴油机运行参数,对存在故障能进行故障诊疗
10、,它能实现对柴油机进行全方位管理。最终,因为检测参数多,实施机构也多,用单台计算机处理控制无法满足适时性,要采取分散式控制方案,就得用多台处理器。这么,它们之间联络是经过现场总线方法,进行交换和传输相关信息,正如每个气缸控制处理单元(CCU)和主控制处理器(MCU)是经过网络总线来联络。智能柴油机控制系统结构示意图图14-1-4所表示,图14-1-5是智能柴油机控制系统方框图。由图14-1-4可见,集控室可用多台电脑和现场总线(双总线制互为备用),柴油机由两个主机控制单元(EU)控制,它们之间也是互为备用,一个单元在运行工作,另一个处于热备用,经过集控室上转换开关来切换,由集控室或驾驶台车钟发
11、讯器下达车令,经过数据处理送到总线上,主机控制器(EU)接收到该车令后依据传感器(S)检测回来柴油机现时状态信息进行处理,然后,按处理结果形成指令,经过总线送到各缸控制器(CU),对本缸燃油喷射控制、排气阀控制、起动阀控制、特定气缸气缸注油器控制等。图14-1-4 智能柴油机控制系统结构示意图图14-1-5 智能柴油机控制系统方框图开发智能型柴油机企业很多,关键有:美国卡特彼勒(HEUI系统),德国(博世)Rebert BosehBosch企业,意大利(菲亚特)Fiat集团(Unijet系统),日本电装企业(ECD-UZ系统),英国Loucas企业(diesel system)及大型低速柴油机
12、供给商Wartsila企业(RT-flex系统)和MAN B&W企业(ME系统)低速柴油机。中国船上所采取比较经典是Wartsila企业RT-flex系统和MAN B&W企业ME系统,后面两节将对这两个系统分别作介绍。因为各企业进行技术保密,只能对其方框结构介绍,无法做到元器件介绍,但作为管理维护人员来讲,知道其信息步骤关系,和各现场传感器、实施器作用,一旦这些单元发生故障,能够排除这些故障。第二节RT-flex柴油机智能控制系统一、WECS-9500控制系统Wartsila企业RT-flex型智能柴油机控制系统关键单元是WECS-9500,它结构原理框图,图14-2-1所表示。由图14-2-
13、1可见,它关键由主控制器(COM-EU)和各气缸控制单元(CYL-EU)等组成。主控制器(COM-EU)接收外界信号,如主机遥控系统,调速器,安保系统,人机界面,控制油系统,燃油系统,液压伺服系统等信号,然后进行程序处理,把处理结果送到各气缸控制器(CCU),由其再去控制燃油系统实施器、液压伺服系统实施器等进行对应调整,使柴油机完成对应功效,达成最好运行状态。WECS-9500控制系统不仅替换了传统柴油机上凸轮轴相关机械零部件功效,而且能对燃油喷射、排气阀动作、柴油机起动、换向、停车和气缸润滑等功效全电子化灵活控制。经过对相关参数设定和修改,可调整主机运行状态和性能参数,实现柴油机最好性能。另
14、外,还可对主机运行情况进行实时监测,并和船上其它控制系统、报警系统连接,将主机运行情况直接送到各系统,各系统可直接采取该信号进行综合处理。可见,它关键作用是对Common Rail燃油压力、伺服油压力进行控制和主机、气缸相关功效管理,其中包含对主机状态检测、参数调整、控制气缸喷油时间、喷油量、排气时间,使主机处于最好工作状态,另外,还负责对外界系统通信。图14-2-1 WECS-9500控制系统1WECS-9500控制系统各功效单元作用()公共电子控制单元(COM-EU)它包含两个主控制模块MCM,它们互为备用,一个MCM工作,另一个处于热备用状态,由外部选择开关发信号给选择模块ASM,ASM
15、模块依据选择开关信号确定哪个模块处于工作,哪个处于热备用。MCM关键作用是对Common Rail中油压控制、主起动阀控制和和其它系统通信,并对主机内部信号进行检测和传输。(2)气缸电子控制单元(CYL-EU)每个气缸全部装配一个气缸电子控制单元(CEU),它安装在Common Rail平台下部,它提供对气缸起动空气阀启、闭进行控制,燃油喷射、废(排)气阀启、闭在时间和数量上进行控制并在时间和数量上进行控制,即VIT VEO VEC等功效控制。(3)曲柄轴角度传感器(Crank Angle Sensor)它用于正确测量曲柄轴位置,该信号送到CEU,从而推算出气缸活塞位置,便于对气缸喷油和排气时
16、间控制。(4)各缸实施器传感器用于检测各电磁阀,液压伺服油缸工作状态。(5)WECS辅助控制单元(WECS assistant)它安装在集控室,由一台计算机和一台MAPEX-CR控制装置组成。这套装置作用是:显示主机状态及报警信息,比如每个气缸燃油、废气、延时时间,每个气缸活塞速度等状态信息显示,和各传感器测量值、参数设定值和动态曲线显示。对各运行参数越限进行报警显示。对主机部分参数进行设定。参数设定可分为两组,一组为操作人员,无需密码进入设定,比如,最大油耗限制、磨合模式、修改VIT 、FQS等参数,改变喷油起始角度,排气阀关闭角度等;另一组为教授,需密码进入,只有柴油机厂家服务人员或经过厂
17、家授权人员才能改定,比如:发怒次序这种关键参数。同时,作为智能化主机,RT-flex机型还配置部分附加功效,如:部分特殊参数检测,数据分析,管理维修,备件管理等,其中包含MAPEX-TP(气缸磨损检测),MAPEX-PR(活塞运行可靠性检测),MAPEX-CR(燃烧可靠检测),MAPEX-TV/AV(扭矩振动/轴向振动检测),MAPEX-SM (备件和维修)等,用户可依据自己要求来选择这些功效(全部或部分)。2WECS-9500控制系统通信功效:(1)和主机遥控系统通信全部主机运行命令如正车、换向、倒车等,依据操作人员所操车钟要求形成指令送给WECS-9500公共模块(COM EU),同时,主
18、控模块上主机负荷和检测到排气压力、排烟温度等信号也会传送给主机遥控系统。(2)和船舶报警系统通信WECS-9500控制系统检测到主机故障信号时,会发给船舶报警系统进行报警、打印、统计或发出减速、停车信号给安保系统。WECS-9500报警信号可分为次要报警信号和关键报警信号,如封缸报警信号为关键报警信号。(3)和转速控制器通信主机调速器是独立一部分,WECS-9500控制系统接到主机调速器一个燃油指令信号,主控模块(Com EU)将这个信号分配到全部各气缸控制模块(CEU),这就是柴油机此时燃油给定值。假如调速器发生故障,仍可手动调整燃油命令信号,此时,主机处于备用模式运行,在该模式下,对于可变
19、螺距主机而言,为了预防主机超速,应把螺旋桨设为定螺距运行。(4)和选择器通信和识别器进行信号交换,确定哪一个主控模块处于运行状态,哪一个处于热备用状态。(5)和安全保护系统通信WECS-9500控制系统对液压系统泄漏监测、各传感器工作状态监测、曲柄轴角度传感器监控,把这些监控到信号全部发到安全保护系统。泄漏检测是采取在整个液压系统外皮包装中安装多个检测开关,当系统中某个部位或子系统发生不正常泄漏,就能检测出来。对各传感器工作状态监控是判定传感器送出信号是否越过上、下限值,若超出测量范围,说明传感器工作不正常,此信号不可信,同时也显示一个测量误差信号。因为曲柄轴角度是极其关键参数,对其检测采取冗
20、余设计,把两个曲柄轴角度编码器安装在自由端,经过联轴器由曲轴驱动。这两个曲柄轴角度编码器提供绝对转角信号,两个信号全部传送到各气缸控制单元(CEU),对这两个曲柄轴角度编码器信号进行比较,出现偏差超限,说明编码器不正常或故障。若不出现偏差超限,再和飞轮端转速传感器读数进行比较,必需时还需经过WECS辅助控制器进行赔偿和校正。二、WECS-9500系统中公共电子单元(COM-EU)图14-2-2是WECS-9500系统中公共电子单元方框图,其中有一个模式识别模块ASM 10,是由集控室中选择器来选中某一个主控板(MCM 700)为运行板,另一个为备用板,该信号经过ASM10识别选中其中一个块作为
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