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1、海船船员适任证书知识更新船用电喷柴油机控制系统第十四章 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

2、司正式推出了电子控制的ME系列柴油机。而瑞士Wartsila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基本结构和工作原理，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基本原理一、概述 智能控制引入船舶主机控制系统是

3、从智能调速器开始的，它把船舶主机现时的排烟中的含氧量、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，达到经济性要求。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Su

4、lzer 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 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 su

5、pply 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-flex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WE

6、CS 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，从而发出哪个缸应打开起动阀进气，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

7、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，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达到的，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部

8、分组成：（1）运行模式选择程序部分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佳状态，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

9、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（按照最佳的工作模式，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应快，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

10、期限内达到最大效率。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，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

11、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

12、油机的公司很多，主要有：美国卡特彼勒（HEUI系统），德国（博世）Rebert Bosch公司，意大利（菲亚特）Fiat集团（Unijet系统），日本电装公司（ECD-UZ系统），英国Loucas公司（diesel system）及大型低速柴油机供应商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较典型的是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

13、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，

14、使柴油机完成相应功能，达到最佳运行状态。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，实现柴油机最佳性能。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

15、量、排气时间，使主机处于最佳工作状态，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-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Commo

16、n 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、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。（5）WECS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

17、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。参数设定可分为两组，一组为操作人员，无需密码进入设定，例如，最大油耗限制、磨合模式、修改VIT 、FQS等的参数，改变喷油的起始角度，排气阀的关闭角度等；另一组为专家，需密码进入，只有柴油机厂家服务人员或经过厂家授权的人员才能改定，例如：发火顺序这种关键参数。同时，作为智能化的主机，RT-flex机型还配备一些附加功能，如：一些特殊的参数检测，数据分析，管理维修，备件管理等，其中包括MAPEX-TP（气缸磨损检测），MAPEX-PR（活塞运行可靠性检测），MAPEX-C

18、R（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，用户可根据自己的要求来选择这些功能（全部或部分）。2WECS-9500控制系统的通信功能：（1）与主机遥控系统的通信所有主机的运行命令如正车、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，主控模块上的主机负荷和检测到的排气压力、排烟温度等信号也会传送给主机遥控系统。（2）与船舶报警系统通信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、记录或发出减速、停车信号给安保系统。WECS-9500报警信号可分为

19、次要报警信号和重要报警信号，如封缸报警信号为重要报警信号。（3）与转速控制器的通信主机调速器是独立的一部分，WECS-9500控制系统接到主机调速器的一个燃油指令信号，主控模块（Com EU）将这个信号分配到所有各气缸的控制模块（CEU），这就是柴油机此时的燃油给定值。如果调速器发生故障，仍可手动调节燃油命令信号，此时，主机处于备用模式运行，在该模式下，对于可变螺距的主机而言，为了防止主机超速，应把螺旋桨设为定螺距运行。（4）与选择器的通信与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）与安全保护系统的通信WECS-9500控制系统对液压系统的泄漏监测、各传感

20、器工作状态监测、曲柄轴角度传感器监控，把这些监控到的信号都发到安全保护系统。泄漏检测是采用在整个液压系统的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的泄漏，就能检测出来。对各传感器的工作状态监控是判断传感器送出的信号是否越过上、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。由于曲柄轴角度是极其重要的参数，对其检测采用冗余设计，把两个曲柄轴角度编码器安装在自由端，通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，两个信号都传送到各气缸控制单元（CEU），对这两个曲柄轴角度编码器的信号进行比较，出现偏差超限，说明编码器不正常

21、或故障。若不出现偏差超限，再与飞轮端的转速传感器读数进行比较，必要时还需通过WECS辅助控制器进行补偿和校正。二、WECS-9500系统中的公共电子单元（COM-EU）图14-2-2是WECS-9500系统中的公共电子单元的方框图，其中有一个模式识别模块ASM 10，是由集控室中的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，该信号通过ASM10识别选中其中一个块作为运行板，另一个为备用板，例如以MCM 700 1号为运行板，2号就成热备用板。这时运行主控板MCM 700就与驾驶台或集控室的外界系统通信，根据各传感器采集回来的主机现时运行状态信息和外界指令要求，形成命令，

22、传输给每个缸的气缸控制器，进行相应控制操作，同时，识别模块ASM 10发出指令给燃油泵执行驱动器，使燃油泵工作；识别模块也发出指令使控制油泵工作。选中的主控板根据车钟指令也直接对起动空气阀进行控制。图14-2-2 公共电子单元的方框图三、气缸控制单元（CYL-EU）图14-2-3是WECS-9500控制系统中的气缸控制单元的方框图，它由气缸的控制中心模块（CCM）和阀件控制信号放大驱动模块（VDM）组成。当气缸控制模块CCM从CAN总线上与主控制模块MCM进行通信，从冗余设计的曲柄轴角度编码器获取曲柄轴的位置，推算出气缸活塞的位置，做出对气缸运行状态进行控制，同时也采集燃油喷射信号、排气阀的位

23、置信号以及三个喷射阀状态的适时信号，然后通过设定的程序进行计算处理，对各燃油喷射阀、废气排放阀、起动进气阀和液压伺服油泵的执行器进行控制。图14-2-3 气缸控制单元的方框图四、智能型柴油机燃油系统的控制由于智能型柴油机燃油是采用共轨系统，所以，就有共轨燃油压力控制和各缸喷射油量的控制。图14-2-4为Sulzer RT-flex智能型柴油机的共轨管路燃油压力控制原理图。由图14-2-4可见，主控模块MCM从气缸控制模块CCM接收柴油机转速信号和现时共轨上的压力信号，然后通过内部运算处理输出控制燃油泵执行机构的驱动器信号，并对其控制，使得燃油泵输出的燃油压力达到现时柴油机的转速所要求的压力。当

24、共轨上的燃油压力高时，通过燃油压力控制释放阀，使其保持稳压；当安保系统检测到危及主机的故障信号时就发出关闭燃油信号，使燃油速闭阀动作，把燃油排放掉。同时，共轨燃油压力也受主轴承滑油压力控制的燃油压力控制阀控制，起到保护柴油机的目的。燃油增压泵是由曲柄轴通过传动机构来驱动的，如果其中一个燃油泵驱动器发生故障，它会通过弹簧使得正常连接在适当位置或移动到最高位置，变成定量泵，其余没有发生故障的燃油泵仍保持变量泵而受控。图14-2-4 Sulzer RT-flex智能型柴油机的燃油共轴压力控制图14-2-5为Sulzer RT-flex智能型柴油机的燃油喷射量控制原理图。在非喷射燃油时间段内，气缸控制

25、模块CCM不发出喷射燃油信号，三个电磁阀无电，控制伺服油不能进入喷射控制阀的信号端，喷射控制阀下位通，共轨管路中的1000bar的燃油通过三个喷射控制阀下位，进入燃油喷射量油缸中，控制好量油缸中活塞位置，就量好了该气缸燃油喷射量的大小。燃油喷射量是主控模块MCM通过比较速度控制器中的喷射油量和燃油指令信号的要求推算出的。当CCM根据曲柄轴编码器送来的曲柄角度信号和VIT，就可计算出喷射初始角，到达喷射初始角时刻CCM给VDM发喷油指令，使共轨电磁阀通电（这三个电磁阀是否同时通电，取决当时柴油机的负荷和转速，如：低速、低负荷时，只需一个电磁阀工作，即一个油嘴工作），这时相应的液压伺服控制油出现在

26、喷射控制阀的信号端，使其上位通，这时共轴管路的燃油被堵塞，量油缸中1000bar燃油再通过活塞驱动，形成更高压，通过喷油嘴喷入气缸进行雾化燃烧。由于各阀件启、闭是需要时间的，为了准确定时喷油，需要计算出延时时间，通常把触发信号发出时刻到有效喷射的时刻之间差值称为喷射动作滞后时间。根据之前循环的喷射动作滞后时间可计算出下一个喷射循环。喷射系统还可以采集三个喷射阀的开启时间来监测每次的循环，以至于保证不混乱。如果油量传感器损环了，控制系统将取代主控制器MCM的燃油指令信号，进行定量喷射。图14-2-5 SUlzer RT-flex智能型柴油机燃油喷射量控制原理图 五、液压伺服油压力控制图14-2-

27、6为Sulzer RT-flex智能型柴油机液压控制油压力控制原理图。主控制模块MCM采集控制油轨的伺服油的压力信号，与给定值200bar比较，若出现偏差，通过CAN总线使各气缸控制模块CCM去控制伺服泵输出量，从而控制伺服油轨的压力。每个气缸控制器CCM都输出一个指令信号给伺服泵内部的压力控制器，通常该控制信号是一个脉宽调制信号（1，AC），其频率为60100Hz。伺服和控制油都是把润滑油再经过一次过滤后的滑油。伺服控制油共轨管路系统装了一个安全阀，还安装两个压力传感器，把共轨伺服控制油压力信号送到主控模块MCM。控制油系统除了安装安全阀外，还装了一个稳压阀，保持控制油压力不变。 图14-2

28、-6 Sulzer RT-flex智能型柴油机液压控制油压力控制原理图六、排气阀的控制图14-2-7为Sulzer RT-flex智能型柴油机的排气阀控制原理图。气缸控制模块CCM根据曲柄轴角度编码器的信号和VED（排气阀开启），发出开启排气阀的信号，该信号使排气轨道电磁阀动作，上位通，伺服油进入排气控制阀的信号端，使上位通，这时伺服油进入执行油缸，活塞移动，把4bar的液压油增压推入排气阀的上油室，阀芯下移进行排气，同时，排气阀移动的位置由两个冗余设计位置传感器进行监测，反馈给气缸控制模块CCM，监视排气阀是否开启。若一个位置传感器损环，另一个传感器可继续使用，这时会给出报警信号。若两个位置

29、传感器都损坏，CCM内部的固定动作程序仍然保持有效，排气阀仍能工作。同样，CCM发出排气指令到排气阀打开，也有延时，称其为排气动作滞后时间。计算开启动作滞后时间是以阀的015%的行程为终止，计算关闭动作滞后时间是以阀的100%15%的阀行程为终止。每个动作滞后时间都可通过之前的动作滞后时间来调校下一个循环的动作滞后时间，这样，就可准确定时对排气阀打开（VEO）和关闭（VEC）控制。 图14-2-7 Sulzer RT-flex智能型柴油机的排气阀控制原理图七、柴油机的转速控制Sulzer RT-flex智能型柴油机的转速控制是由一个独立于WECS 9500控制系统的转速控制器来完成的。图14-

30、2-8为该机型的转速控制原理框图。转速控制接收到车钟的转速命令之后，与现时采集回来的主机转速进行比较，得到一个偏差值，转速控制器根据偏差值的大小、现时主机负荷状态等综合计算出需要提供多少燃油的命令给WESC-9500的主控模块MCM。主控模块通过CAN总线将数据传给每个气缸控制模块CCM，气缸控制模块再输出信号给燃油喷射量油缸的控制器，该控制器就可控制燃油喷射量油缸内的油量，然后等待到喷油初始角到来，CCM就发出喷油操作。同时，喷油量的大小信号反馈给燃油喷射量油缸的控制器，再到主控模块MCM，进行燃油量闭环控制，同时，也反馈给主机转速控制器，便于进行下一步的转速控制。图14-2-8 Sulze

31、r RT-flex智能型柴油机的转速控制原理图以上介绍了Sulzer RT-flex智能型柴油机控制系统的主要硬件原理，软件部分是它们的核心，属于技术保密，无从介绍，国内对这个核心技术的研发也在起步阶段，也属于保密阶段，资料甚少，再加篇幅有限，其软件的流程图和操作界面请参阅该机型的操作说明书。第三节 MAN B&W ME柴油机智能控制系统MAN B&W公司的ME系列智能型柴油机也是采用共轨技术，但是燃油共轨管路的压力为低压，伺服油的压力为20Mp，都属于低压力系统，能比较有效防止漏油。这样在机械结构上与Wartsila公司共轨柴油机有所不同。对于燃油就得各缸进行二次增压来达到喷射压力要求。图1

32、4-3-1为ME系列智能型柴油机的共轨系统示意图，由燃油泵使燃油增压到7-8 bar，送到各个气缸的二次增压器进行喷射前的再增压，使压力达到喷射压力，而液压伺服油是由主滑油泵送来的滑油通过二次过滤（6um），再通过曲柄轴驱动的增压泵或电动驱动增压泵，增压到200bar送到阀箱，通过控制各缸的电磁阀，使伺服油分别进入各缸排气阀的液压缸单元进行排气操作和进入各缸燃油增压的液压缸单元进行增压喷油操作。图14-3-1 ME系列智能型柴油机的共轨系统示意图同样，ME系列柴油机也有燃油喷射、排气阀、起停和换向等控制。它也是采用计算机直接控制系统，如图14-3-2所示。与常规计算机控制系统相似，有输入通道：它有开关量信号，模拟量信号（有电压信号10V，电流信号420mA），有脉冲信号（曲柄轴角度编码脉冲信号）等输入；输出通道有控制各个电磁阀的开关量信号，也有继电接触器控制信号，模拟量电压（10V），电流（420mA）信号等去控制相关执行器，还有通信通道，与其它计算机进行串行通信，与上、下位机进行网络通信，人