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1、,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第十四章 船舶柴油機智能控制系統(tǒng),2002年初MAN B&W公司正式推出了電子控制的ME系列柴油機。而瑞士Wartsila公司在1998年首先推出了共軌式全電子控制的智能型柴油機Sulzer RT-flex（電控等壓噴射）燃油噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了無凸輪軸柴油機的燃油噴射，排氣閥啟、閉，起動空氣和缸套潤滑的全電控制，甚稱柴油機的第三次革命。,第一節(jié)船舶柴油機智能控制基本原理,一、概述,Wartsila公司首先提出共軌技術，在傳統(tǒng)的Sulzer RTA型柴油機上取消了廢氣排氣閥驅動裝置（exhaust va

2、lve driver）、燃油泵（fuel pump）、凸輪軸（Camshaft）、可逆（倒車）伺服馬達（reversing servomotor）、燃油連接（fuel linkage）、起動空氣分配器（start air distribution）和凸輪軸驅動（camshaft drive）等機構。,Common Rail（共軌）裝置，用來建立燃油壓力，采用液壓控制廢（排）氣閥啟、閉操作，容積噴射控制單元（Volumetric InjectionControl Unit）控制燃油的流量和噴射時間；燃油供給單元（fuel supply unit）取代原有的燃油泵來提供高壓燃油，由液壓伺服油泵提供

3、動力液壓油，,二、智能型柴油機的共軌技術,Sulzer RT-flex型船用低速柴油機電子控制共軌技術系統(tǒng),1、噴油控制，由WECS 9500控制系統(tǒng)，給各缸的氣缸控制單元（CCU）發(fā)送燃油噴射控制信號，氣缸的控制單元，根據(jù)這個指令和本缸氣缸的活塞位置等來控制燃油噴射量、噴射時間、噴射方式（一次性噴射，脈沖性噴射）以及噴射油頭的個數(shù)。,2、排氣閥的控制，由WECS9500控制系統(tǒng)發(fā)出指令給各缸控制單元（CCU），CCU就根據(jù)指令給本缸的排氣控制電磁閥通電，控制高壓伺服油，去驅動排氣閥使之排氣。,3、柴油機的起動控制，由WECS9500控制系統(tǒng)根據(jù)曲柄角度傳感器送來的曲柄的位置信號來判別各缸的活

4、塞位置，從而發(fā)出哪個缸應打開起動閥進氣，進行起動。這里的起動閥也是采用電動控制電磁閥。,各缸的燃油壓力都是一樣的，各缸的液壓伺服油壓力也是一樣的，由此而得名，稱之為共軌技術，只不過各大柴油機制造商所采用的壓力不同而已。象瑞士Wartsila公司的Sulzer RT-flex機型是采用1000 bar高壓燃油壓力，而MAN B&W的ME系列是采用7-8bar低壓燃油壓力，它需進行二次增壓后才能噴射。,三、智能型柴油機控制系統(tǒng)的組成和主要功能,1、智能型柴油機控制系統(tǒng)組成,（1）運行模式選擇程序部分,它主要由低排放控制模式、燃油經濟性模式、主機運行保護模式、應急停/倒車的最優(yōu)化等模式組成。智能控制

5、系統(tǒng)可根據(jù)船舶航行的實際情況，由駕駛臺或自身控制系統(tǒng)選擇對應所需的運行模式。,（2）主機控制系統(tǒng) 它主要由氣缸噴射油量的控制、燃油泵的控制、氣缸的壓力測量與分析、最大功率Pmax的控制、排氣閥的控制、壓縮壓力的控制、增壓系統(tǒng)的控制等單元組成，它控制了柴油機各系統(tǒng)運行。,（3）主機工況監(jiān)測、分析與管理 主機工況監(jiān)測、分析與管理應能自動采集主機的各種運行參數(shù)，并通過計算機控制，使主機始終運行在最佳狀態(tài)，它主要由活塞環(huán)或氣缸套的工況監(jiān)測、氣缸壓力監(jiān)測、扭力和振動的監(jiān)測以及柴油機智能管理等單元組成。,2、智能型柴油機的主要功能,要實現(xiàn)智能型柴油機的各種功能，要靠現(xiàn)代自動化、計算機、通訊等技術手段來支持

6、。首先將檢測回來的柴油機各種運行狀態(tài)信號送到計算機進行處理（按照最佳的工作模式，使柴油機燃油效率最高，排放最低），處理結果對柴油機的燃油噴射系統(tǒng)、電子調速系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、排氣閥系統(tǒng)等進行控制，這就要求檢測信號的傳感器反應快，可靠性高，計算機運行速度快，各系統(tǒng)的執(zhí)行機構動作快、靈敏和可靠。,第二節(jié)船舶柴油機智能控制典型實例,一、Wartsila公司的RT-flex系,1、WECS-9500控制系統(tǒng),Wartsila公司的RT-flex型智能柴油機控制系統(tǒng)的核心單元是WECS-9500，,WECS-9500控制系統(tǒng)各功能單元的作用：,()公共電子控制單元（COM-EU）,它包括兩個主控制模塊MCM

7、，它們互為備用，一個MCM工作，另一個處于熱備用狀態(tài)，由外部的選擇開關發(fā)信號給選擇模塊ASM，ASM模塊根據(jù)選擇開關的信號確定哪個模塊處于工作，哪個處于熱備用。MCM的主要作用是對Common Rail中的油壓控制、主起動閥的控制以及與其它系統(tǒng)通信，并對主機內部信號進行檢測和傳輸。,（2）氣缸電子控制單元（CYL-EU）,每個氣缸都裝配一個氣缸電子控制單元（CEU），它安裝在Common Rail平臺的下部，它提供對氣缸的起動空氣閥的啟、閉進行控制，燃油噴射、廢（排）氣閥的啟、閉在時間和數(shù)量上進行控制，即VIT VEO VEC等功能控制。,（3）曲柄軸角度傳感器（Crank Angle Sen

8、sor）,它用于準確測量曲柄軸位置，該信號送到CEU，從而推算出氣缸的活塞位置，便于對氣缸的噴油和排氣的時間控制。,（4）各缸執(zhí)行器的傳感器,用于檢測各電磁閥，液壓伺服油缸的工作狀態(tài)。,WECS-9500控制系統(tǒng)的通信功能：,（1）與主機遙控系統(tǒng)的通信,所有主機的運行命令如正車、換向、倒車等，依據(jù)操作人員所操車鐘要求形成指令送給WECS-9500公共模塊（COM EU），同時，主控模塊上的主機負荷和檢測到的排氣壓力、排煙溫度等信號也會傳送給主機遙控系統(tǒng)。,（2）與船舶報警系統(tǒng)通信,WECS-9500控制系統(tǒng)檢測到主機故障信號時，會發(fā)給船舶報警系統(tǒng)進報警、打印、記錄或發(fā)出減速、停車信號給安保系統(tǒng)

9、。WECS-9500報警信號可分為次要報警信號和重要報警信號，如封缸報警信號為重要報警信號。,（3）與轉速控制器的通信,主機調速器是獨立的一部分，WECS-9500控制系統(tǒng)接到主機調速器的一個燃油指令信號，主控模塊（Com EU）將這個信號分配到所有各氣缸的控制模塊（CEU），這就是柴油機此時的燃油給定值。如果調速器發(fā)生故障，仍可手動調節(jié)燃油命令信號，此時，主機處于備用模式運行，在該模式下，對于可變螺距的主機而言，為了防止主機超速，應把螺旋槳設為定螺距運行。,（4）與選擇器的通信,與識別器進行信號交換，確定哪一個主控模塊處于運行狀態(tài)，哪一個處于熱備用狀態(tài)。,（5）與安全保護系統(tǒng)的通信,WECS

10、-9500控制系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測、各傳感器工作狀態(tài)監(jiān)測、曲柄軸角度傳感器監(jiān)控，把這些監(jiān)控到的信號都發(fā)到安全保護系統(tǒng)。,2公共電子單元,3氣缸控制,4智能型柴油機燃油系統(tǒng)的控制,智能型柴油機的燃油噴射量控制原理,5液壓伺服油壓力控制,6排氣閥的控制,7 柴油機的轉速控制,二MAN B&W公司ME系列智能型柴油機控制系統(tǒng),MAN B&W公司的ME系列智能型柴油機也是采用共軌技術，但是燃油共軌管路的壓力為低壓7-8bar，伺服油的壓力為200bar，都屬于低壓力系統(tǒng)，能比較有效防止漏油。這樣在機械結構上與Wartsila公司共軌柴油機有所不同。對于燃油就得各缸進行二次增壓來達到噴射壓力要求。圖

11、15-2-9為ME系列智能型柴油機的共軌系統(tǒng)示意圖，由燃油泵使燃油增壓到7-8 bar，送到各個氣缸的二次增壓器進行噴射前的再增壓，使壓力達到噴射壓力，而液壓伺服油是由主滑油泵送來的滑油通過二次過濾（6um），再通過曲柄軸驅動的增壓泵或電動驅動增壓泵，增壓到200bar送到閥箱，通過控制各缸的電磁閥，使伺服油分別進入各缸排氣閥的液壓缸單元進行排氣操作和進入各缸燃油增壓的液壓缸單元進行增壓噴油操作。,ME系列柴油機也有燃油噴射、排氣閥、起停和換向等控制。它也是采用計算機直接控制系統(tǒng).,1ME系列柴油機的智能控制系統(tǒng),（1）主機信息控制單元（EICU）,（1）主機信息控制單（EICU）,在集控室的

12、操作臺中，上面有兩個操作界面（MOP），其中一個為運行狀態(tài)，另一個為熱備用狀態(tài)，一旦運行中操作界面發(fā)生故障，它能自動切換到另一臺備用機上。它接收駕駛臺上操作信息和集控室操作界面上信息，同時，它還與外部系統(tǒng)進行通信。圖15-2-12為主機信息控制單元（EICU）與外部系統(tǒng)通信示意圖。它與上位機的主機功率管理系統(tǒng)、手動操作系統(tǒng)、主機遙控系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、安保系統(tǒng)進行信息交換，其功能和作用與WECS-9500控制系統(tǒng)相似，這里不重述。,（2）主機控制單元（ECU）,主機控制單元（ECU）是ME系列柴油機智能控制器的核心，它管理著三個輔助控制單元和各缸控制單元（CCU），并對其進行監(jiān)控，同時，接收現(xiàn)場傳

13、感器送來的信號和機旁操作板的操作指令，對ACU、CCU下達指令，實現(xiàn)主機換向、起動、噴油、排氣、停車等一系列操作，使主機各運行狀態(tài)達到最佳運行狀態(tài)，為了安全可靠，它可直接控制備用泵的起、停運行。,（3）輔助控制單元（ACU）,輔助控制單元（ACU）是對燃油泵、潤滑泵和輔助鼓風機進行起、?？刂?，使其共軌管路中保持所要求的壓力。它有自動控制模式和手動控制模式。在自動控制模式下，各臺輔助鼓風機是根據(jù)設定好的“起動順序”，按掃氣壓力的大小進行起、?？刂疲敀邭鈮毫π∮诘扔?.4bar時，就按“起動順序”起動輔助鼓風機，當掃氣箱中壓力達到0.7bar時，就依次停止這些鼓風機，其停止是按掃氣壓力逐一減臺的

14、，即：大于等于0.7bar時，先延時停一臺鼓風機，當掃氣壓力小于0.7bar，大于0.4bar，就不再停第二臺，若停了一臺鼓風機，掃氣壓力還是大于0.7bar時就停止第二臺，以此類推，起動正好相反，以0.4bar為起動值，當主機停車時，輔助鼓風機將繼續(xù)運行15分鐘后才停機，在手動操作模式下，由操作人員控制。,（4）氣缸控制單元（CCU）,每個氣缸都有一個獨立的氣缸控制單元（CCU），它接收曲柄軸自由端安裝的曲柄軸角度編碼器的脈沖信號，由此計算出本氣缸活塞位置和工作進程狀態(tài)。同時，接收主機轉速傳感器信息，計算出活塞的運行速度信號。還采集了燃油增壓活塞和廢氣排氣閥的位置信號。再根據(jù)ECU發(fā)來的指令

15、進行綜合處理，去控制主機各缸的起動、停車、噴油、排氣等操作。本系統(tǒng)與RT-flex機型有所區(qū)別，它的燃油噴射采用模擬量控制，而排氣閥控制是采用開關量控制的。對于燃油噴射是采用比例閥，而對排氣控制是采用開關量的開啟/關閉。兩者不會混亂，因為燃油噴射時間段與排氣閥開啟時間段是不會重合在一起的，所以，它采用了一個三位三通液壓伺服閥來控制。,2、柴油機轉速控制,ME系列機型的調速控制器功能被集成在主機控制單元（ECU）中，圖15-2-13就是主機控制單元（ECU）實現(xiàn)調速器（Governor）功能的操作界面圖。,3、曲柄軸角度偏碼器,ME系列機型轉速傳感器是采用磁脈沖式輸出轉速傳感器，它的曲柄軸角度編碼器與通常編碼器有所不同，圖15-2-14為該機型曲柄軸編碼器原理圖。它有8個磁感應探頭，分成二組A與B；A組中兩個為檢測轉速和方向，另二個為標記位檢測，一個放在0位，另一個放在90位上，而B組，也用二個探頭檢測轉速和方向，其它二個為標記位，但與A組的標記位相差45，一個放在45位上，另一個放在135位上，這樣，曲軸自由端驅動一個磁性半圓環(huán)轉動，在標記位上的探頭就會有輸出電動勢變化，若輸出高電平為“1”，低電平為“0”，則可作出曲柄軸位置角度與四個探頭的輸出的電平高低的變化表，如表15-2-1。,