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1、第十四章 船用柴油机智能控制系统随着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变化，最先引入智能控制的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。由于人们对船舶可靠性、经济性和废气排放控制的日益关注，90年代各大船舶主机制造商相继在实验室开展了智能柴油机研究，1993年MAN B&W公司研制出试验机，在实验室中运转。1998年首台智能型柴油机安装在挪威的Bow Cecil轮上。2000年11月使用智能系统船舶主机进行试航，并通过了DNV等船级社认可，2002年初MAN B&W公司正式推出了电子控制的ME系列柴油机。而瑞士W
2、artsila公司在1998年首先推出了共轨式全电子控制的智能型柴油机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的燃油喷射，排气阀启、闭，起动空气和缸套润滑的全电控制，甚称柴油机的第三次革命。本章首先重点介绍智能型柴油机控制系统的根本结构和工作原理，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。对于智能型柴油机与传统柴油机在机械结构的区别及工作原理在?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根本原理一、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的，它把船舶主机现时的排烟中的
3、含氧量、温度、增压器的压力、转速等信号都引入控制系统，根据现时主机的给定转速与实际转速的偏差大小，再综合现时的排烟温度、增压器的压力、含氧量等来决定燃油量，使其充分燃烧，到达经济性要求。但是，影响船舶柴油机燃油的燃烧充分与否的因素很多，不仅与增压器压力的大小，输入新鲜空气量的大小有关，还与喷射开启时间、喷射时间持续长短、燃油喷射的压力有关，而且不同柴油机转速下，它们也是不相等的。所以，当时智能型调速器就达不到减排高效目的，只能通过传统柴油机自身结构上的突破，才能提高船舶主机可靠性、经济性和降低排放。Wartsila公司首先提出共轨技术，在传统的Sulzer RTA型柴油机上取消了废气排气阀驱动
4、装置exhaust valve driver、燃油泵fuel 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，采用液压控制废排气阀启、闭操作，容积喷射控制单元Volumetric InjectionControl Unit控制燃油的流量和喷射时间；燃油供给单元fuel supply unit取代原有的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-fle
5、x型智能柴油机结构示意图，如图14-1-1所示。 图14-1-1 RT-flex型智能柴油机结构示意图二、智能型柴油机的共轨技术采用传统机械结构的柴油机无法实现高效减排目标，只有通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、经济性和高效减排的目的，通过几十年的研究，诞生了柴油机共轨技术。图14-1-2为瑞士Wartsila公司研制的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中可以看见，该系统取消了凸轮轴装置对其喷油和排气控制，取而代之的是WECS 9500控制系统，它给各缸的气缸控制单元CCU发送燃油喷射控制信号，气缸的控制单元，根据
6、这个指令和本缸气缸的活塞位置等来控制燃油喷射量、喷射时间、喷射方式一次性喷射，脉冲性喷射以及喷射油头的个数。排气阀的控制是由WECS9500控制系统发出指令给各缸控制单元CCU，CCU就根据指令给本缸的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；而柴油机的起动也是由WECS9500控制系统根据曲柄角度传感器送来的曲柄的位置信号来判别各缸的活塞位置，从而发出哪个缸应翻开起动阀进气，进行起动。这里的起动阀也是采用电动控制电磁阀。 图14-1-2 SulzerRT-flex共轨技术系统示意图从图上看，各缸的燃油压力都是一样的，各缸的液压伺服油压力也是一样的，由此而得名，称之为共轨技术，
7、只不过各大柴油机制造商所采用的压力不同而已。象瑞士Wartsila公司的Sulzer RT-flex机型是采用1000 bar高压燃油压力，而MAN B&W的ME系列是采用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的组成和主要功能 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，采用传统的机械结构是无法到达的，只有通过机电一体化设计才能实现。运用电的控制手段，才能做到灵活多变，适应不同柴油机的工况要求。船舶柴油机的智能控制系统主要由以下各局部组成：1运行模式选择程序局部它主要由低排放控制模式、燃油经济性模式、主机运行保护模式、应急停/倒车的最优
8、化等模式组成。智能控制系统可根据船舶航行的实际情况，由驾驶台或自身控制系统选择对应所需的运行模式。 2主机控制系统它主要由气缸喷射油量的控制、燃油泵的控制、气缸的压力测量与分析、最大功率Pmax的控制、排气阀的控制、压缩压力的控制、增压系统的控制等单元组成，它控制了柴油机各系统运行。3主机工况监测、分析与管理主机工况监测、分析与管理应能自动采集主机的各种运行参数，并通过计算机控制，使主机始终运行在最正确状态，它主要由活塞环或气缸套的工况监测、气缸压力监测、扭力和振动的监测以及柴油机智能管理等单元组成。综上所述，智能型柴油机控制系统的组成可用拓扑图表示，如图14-1-3所示。 图14-1-3 智
9、能型柴油机控制系统的组成示意图 2智能型柴油机的主要功能要实现智能型柴油机的各种功能，要靠现代自动化、计算机、通讯等技术手段来支持。首先将检测回来的柴油机各种运行状态信号送到计算机进行处理按照最正确的工作模式，使柴油机燃油效率最高，排放最低，处理结果对柴油机的燃油喷射系统、电子调速系统、增压系统、排气阀系统等进行控制，这就要求检测信号的传感器反响快，可靠性高，计算机运行速度快，各系统的执行机构动作快、灵敏和可靠。其次是对柴油机的管理维护、故障诊断等进行深层次管理，使柴油机在寿命期限内到达最大效率。它主要完成柴油机各工况监测，记录历史数据，对其进行分析，检测出磨损量，预测出检修、更换备件的时间表
10、，同时，还能对备件进行管理，少件或缺件自动形成申购表。通过检测回来的柴油机运行参数，对存在的故障能进行故障诊断，它能实现对柴油机进行全方位管理。最后，由于检测参数多，执行机构也多，用单台计算机处理控制无法满足适时性，要采用分散式控制方案，就得用多台处理器。这样，它们之间的联系是通过现场总线方式，进行交换和传递相关信息，正如每个气缸的控制处理单元CCU与主控制处理器MCU是通过网络总线来联系的。智能柴油机的控制系统结构示意图如图14-1-4所示，图14-1-5是智能柴油机的控制系统方框图。由图14-1-4可见，集控室可用多台电脑与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
11、间也是互为备用，一个单元在运行工作，另一个处于热备用，通过集控室上的转换开关来切换，由集控室或驾驶台车钟发讯器下达车令，通过数据处理送到总线上，主机控制器EU接收到该车令后根据传感器S检测回来的柴油机现时状态信息进行处理，然后，按处理结果形成指令，通过总线送到各缸的控制器CU，对本缸的燃油喷射控制、排气阀控制、起动阀控制、特定气缸的气缸注油器控制等。图14-1-4 智能柴油机的控制系统结构示意图图14-1-5 智能柴油机的控制系统方框图开发智能型柴油机的公司很多，主要有：美国卡特彼勒HEUI系统，德国博世Rebert BosehBosch公司，意大利菲亚特Fiat集团Unijet系统，日本电装
12、公司ECD-UZ系统，英国Loucas公司diesel system及大型低速柴油机供给商Wartsila公司RT-flex系统和MAN B&W公司ME系统低速柴油机。我国船上所采用的比拟典型的是Wartsila公司的RT-flex系统和MAN B&W公司的ME系统，后面两节将对这两个系统分别作介绍。由于各公司进行技术保密，只能对其方框结构介绍，无法做到元器件的介绍，但作为管理维护人员来讲，知道其信息的流程关系，以及各现场传感器、执行器的作用，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公司的RT-flex型智能柴
13、油机控制系统的核心单元是WECS-9500，它的结构原理框图，如图14-2-1所示。由图14-2-1可见，它主要由主控制器COM-EU和各气缸的控制单元CYL-EU等组成。主控制器COM-EU接收外界的信号，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，把处理的结果送到各气缸控制器CCU,由其再去控制燃油系统的执行器、液压伺服系统的执行器等进行相应调节，使柴油机完成相应功能，到达最正确运行状态。WECS-9500控制系统不仅取代了传统柴油机上凸轮轴相关的机械零部件的功能，而且能对燃油喷射、排气阀动作、柴油机的起动、换向、停车和气缸润滑等
14、功能的全电子化灵活控制。通过对相关参数的设定和修改，可调节主机的运行状态和性能参数，实现柴油机最正确性能。此外，还可对主机的运行情况进行实时监测，并与船上的其它控制系统、报警系统连接，将主机的运行情况直接送到各系统，各系统可直接采用该信号进行综合处理。可见，它主要的作用是对Common Rail的燃油压力、伺服油压力进行控制以及主机、气缸相关的功能管理，其中包括对主机的状态检测、参数的调整、控制气缸的喷油时间、喷油量、排气时间，使主机处于最正确工作状态，另外，还负责对外界系统的通信。图14-2-1 WECS-9500控制系统1WECS-9500控制系统各功能单元的作用()公共电子控制单元COM
15、-EU它包括两个主控制模块MCM，它们互为备用，一个MCM工作，另一个处于热备用状态，由外部的选择开关发信号给选择模块ASM，ASM模块根据选择开关的信号确定哪个模块处于工作，哪个处于热备用。MCM的主要作用是对Common Rail中的油压控制、主起动阀的控制以及与其它系统通信，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每个气缸都装配一个气缸电子控制单元CEU，它安装在Common Rail平台的下部，它提供对气缸的起动空气阀的启、闭进行控制，燃油喷射、废排气阀的启、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等功能控制。3曲柄轴角度传感器Crank Angle Sensor它用于准确测量曲柄轴位置，该信号送到CEU，从而推算出气缸的活塞位置，便于对气缸的喷油和排气的时间控制。4各缸执行器的传感器用于检测各电磁阀，液压伺服油缸的工作状态。5WECS的辅助控制单元WECS assistant它安装在集控室，由一台计算机和一台MAPEX-CR的控制装置组成。这套装置作用是：显示主机的状态及报警信息，例如每个气缸的燃油、废气、延时时间，每个气缸活塞速度等状态信息显示，以及各传感器测量值、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。对主机的一些参数进行设定。参数
