电子技工业务5.1船舶主柴油机及其控制系统

第5章

船舶主辅机原理及电气控制系统一、主柴油机系统的组成（一）柴油机的定义5.1船舶主柴油机及其控制系统

柴油机：是一种压缩发火的内燃机。使用柴油或劣质油做燃料，在气缸内与空气混合形成可燃混合气，缸内燃烧采用压燃式发火(Compressionignition)。柴油机在热机中具有最高的热效率。柴油机在船舶上除用作主推进发动机（主机）外，还广泛用作发电机原动机（发电柴油机）、动力型救生艇发动机、应急发电机原动机3柴油机6110/125ZG5一、主柴油机系统的组成（二）柴油机的基本结构参数一、主柴油机系统的组成（二）柴油机的基本结构参数1.上止点：活塞在气缸中运动的最上端位置，即离曲轴中心线最远的位置。2.下止点：活塞在气缸中运动的最下端位置，即离曲轴中心线最近的位置。3.曲柄半径Ｒ：曲轴回转中心线到曲柄销中心线的距离。4.冲程Ｓ：活塞在上、下止点之间移动的距离。等于曲轴曲柄半径Ｒ两倍，Ｓ＝2Ｒ。5.缸径Ｄ：气缸套的内径。一、主柴油机系统的组成（二）柴油机的基本结构参数6．压缩室容积Ｖc

活塞位于上止点时，活塞顶与气缸盖底面之间的气缸容积，又称燃烧室容积。7．气缸工作容积Ｖh

活塞从上止点移动到下止点所扫过的气缸容积。8．气缸总容积Ｖa

活塞位于下止点时，活塞顶以上的全部气缸容积，是压缩室容积与气缸工作容积之和。9．压缩比ε

气缸总容积与压缩室容积的比值，亦称几何压缩比。ε=Ｖa/Ｖc一、主柴油机系统的组成（二）柴油机的基本结构参数一、主柴油机系统的组成（三）主机系统的组成由主要部件（包括固定部件和运动部件）、配气机构、燃油系统、润滑系统、冷却系统、起动系统与换向系统、调速装置、增压系统等组成。也可认为柴油机由固定部件(机座、机体、气缸盖、气缸套和主轴承等)、运动部件(活塞组件、连杆组件和曲轴飞轮组件等构成曲柄连杆机构)和系统(燃油系统、润滑系统、冷却系统、配气系统以及起动、换向和调速等系统)组成。二、主柴油机工作原理（一）柴油机工作过程燃油在柴油机气缸中燃烧作功通常分为进气、压缩、燃烧、膨胀与排气五个过程。包括进气、压缩、混合气形成、着火、燃烧与放热、膨胀作功和排气等在内的全部热力循环过程，称柴油机工作过程。二、主柴油机工作原理（二）船舶主机的工作原理船舶主机大多数为低速二冲程柴油机，活塞在两个行程内完成一个工作循环的柴油机叫作二冲程柴油机。在二冲程柴油机中没有单独的进气与排气过程，其进气与排气过程几乎重叠在下止点前后约120~１５０℃Ａ内同时进行。二、主柴油机工作原理（三）增压式主柴油机的工作原理主机都采用废气涡轮增压的方式提高进气压力。在进、排气管道上分别安装了离心式压气机e和废气涡轮机d(两者组合成废气涡轮增压器)，废气涡轮从废气中获得能量而带动同轴的压气机一起转动。新鲜空气则从大气通过吸入口f吸入压气机，经压缩后压力和温度升高，然后由管g经冷却器k冷却后导入进气管h和扫气箱i，准备进入气缸。二、主柴油机工作原理（四）主机的换气形式根据气流在气缸中的流动路线，二冲程柴油机的换气形式可分为弯流(扫气空气由下而上，然后由上而下清扫废气)与直流(气流在气缸内呈直线由下而上清扫废气)两大类。直流式(气阀—气口式)扫气是现代船用大型柴油机的主要换气形式。三、主机遥控系统的组成、功能及其主要类型（一）主机遥控系统的组成1.遥控操纵台2.车钟系统3.逻辑控制单元4.转速与负荷控制单元5.主机气动操纵系统6.安全保护装置三、主机遥控系统的组成、功能及其主要类型（二）主机遥控系统的功能1.操作部位切换功能2.逻辑程序控制功能（1）换向逻辑控制（2）起动逻辑控制（3）重复起动程序控制（4）重起动逻辑控制（5）慢转起动逻辑程序（6）主机运行中的换向与制动逻辑程序控制三、主机遥控系统的组成、功能及其主要类型（二）主机遥控系统的功能3.主机的转速与负荷控制功能（1）转速程序控制（2）转速―负荷控制（3）转速限制（4）负荷限制4.安全保护功能三、主机遥控系统的组成、功能及其主要类型（三）主机遥控系统的类型1.气动式主机遥控系统2.电动式主机遥控系统3.电/气式主机遥控系统4.电/液式主机遥控系统5.微机控制的主机遥控系统四、车钟系统及操纵部位的转换（一）车钟系统概述1.主车钟主车钟用于传送停车、换向和转速设定等主机操纵命令。停车、前进微速、前进慢速、前进半速、前进全速、海上全速、后退微速、后退慢速、后退半速、后退全速和应急后退等档位四、车钟系统及操纵部位的转换（一）车钟系统概述1.主车钟驾驶台车钟和集控室车钟一般采用手柄操作，而机旁应急车钟除了早期船舶采用手柄操作外，目前大多数船舶均采用按键操作。车钟系统还有主机的控制功能，除了传送车令信息外还能够向主机遥控系统发送主机的各种操作命令。四、车钟系统及操纵部位的转换（一）车钟系统概述1.主车钟主车钟分为气动和电动两种类型。气动发讯装置采用手柄的机械动作控制二位三通阀，利用二位三通阀实现正车、倒车和停车信号的发讯，利用转速设定精密调压阀实现转速指令的发讯。电动发讯装置通常采用微动开关和相应的逻辑处理电路发出正车、倒车和停车信号，采用精密电位器与信号处理电路实现转速设定值的发讯。四、车钟系统及操纵部位的转换（一）车钟系统概述2.副车钟副车钟用于传送与主机操纵有关的其他联络信息，如备车(standby)、完车(FinishedWithengine)和海上定速(Atsea)等。四、车钟系统及操纵部位的转换（二）操纵部位的转换三个操纵部位：驾驶台、集控室、机旁优先级：机旁>集控室>驾驶台自动化程度：驾驶台>集控室>机旁驾驶台和集控室之间的操纵部位转换条件（1）集控室遥控车钟发出的正、倒车或停车车令必须与驾驶台遥控车钟发出的正、倒车或停车车令一致，是必备条件（2）集控室遥控车钟发出的转速设定值必须与驾驶台遥控车钟发出的相等无扰动切换条件五、船舶智能柴油机控制系统1.船舶智能柴油机基本概念将电子计算机控制技术应用于柴油机，形成了一种新型的电子控制式柴油机，称为智能柴油机。取消了传统柴油机以凸轮轴及相关的机械控制零部件来控制柴油机起动、换向、燃油喷射和气阀的启闭将燃油喷射、气阀启闭以及柴油机的起动、换向、停车和气缸润滑等功能全部由计算机控制技术实现。可以根据柴油机不同的工况,对相关的参数进行及时设定和调整五、船舶智能柴油机控制系统2.WinGDRT-flex船舶智能柴油机控制系统取消了传统的机械式凸轮轴系统及其传动机构，增设了供油单元、共轨平台和控制系统WECS-9520,前身为WECS-9500.五、船舶智能柴油机控制系统2.WinGDRT-flex船舶智能柴油机控制系统燃油高压共轨中的燃油通过各缸的燃油喷射控制单元(ICU)分别送至各缸喷油器。控制系统WECS-9520指挥燃油喷射控制单元(ICU)精确控制喷油正时、喷油量。控制系统WECS-9520根据主机工况对燃油高压共轨压力进行控制，精确控制燃油喷油压力。五、船舶智能柴油机控制系统2.WinGDRT-flex船舶智能柴油机控制系统伺服油除了给燃油喷射阀开启提供执行动力外，还负责执行排气阀开启。排气阀正时及开启过程均由控制系统WECS-9520精确控制。控制系统WECS-9520根据启动时序，控制各缸的气缸启动阀启闭，使3.0MPa的启动空气进入各缸推动活塞运行，从而进行压缩空气启动五、船舶智能柴油机控制系统2.WinGDRT-flex船舶智能柴油机控制系统曲轴转角编码器控制系统WECS-9520对燃油喷射、排气、启动等过程的控制，离不开对各缸活塞运行位置的监测。各缸活塞运行的实时位置与曲轴实时转角一一对应。WinGDRT-flex采用两套在线备用的绝对编码器监测曲轴转角，将曲轴转角转换成一一对应的二进制数码五、船舶智能柴油机控制系统2.WinGDRT-flex船舶智能柴油机控制系统WECS-9520是整个WinGDRT-flex柴油机控制的核心1）控制燃油喷射、排气及启动；2）对燃油高压共轨和伺服油共轨压力的精确控制；3）对共轨阀件、传感器及柴油机各重要参数值进行监测与诊断五、船舶智能柴油机控制系统2.WinGDRT-flex船舶智能柴油机控制系统共轨，即代表各缸压力一致。共轨平台主要由燃油高压共轨和伺服油共轨组成。燃油高压共轨压力额定值为100MPa。伺服油共轨压力额定值为20MPa。伺服油用于为燃油喷射阀、排气阀启闭提供执行动力。五、船舶智能柴油机控制系统3.MANME船舶智能柴油机控制系统ME系列柴油机相对于MC，取消了凸轮轴及其相关的机械控制装置，主要增设了四大组成部分：液压动力供给单元（HPS）、液压油缸单元（HCU）、电控单元（ECS）及曲轴角度编码器。基本组成：主机接口单元（EICU）、主机控制单元（ECU）、气缸控制单元（CCU）、辅助控制单元（ACU）、主操作面板（MOPA&MOPB）、机旁操作面板（LOP）等五、船舶智能柴油机控制系统3.MANME船舶智能柴油机控制系统五、船舶智能柴油机控制系统3.MANME船舶智能柴油机控制系统主机接口单元（EICU）、主机控制单元（ECU）、气缸控制单元（CCU）、辅助控制单元（ACU）硬件上均是完全相同的多功能控制板（MPC）通过双冗余的ARC总线网络实现数据共享五、船舶智能柴油机控制系统3.MANME船舶智能柴油机控制系统（1）EICU(EngineInterfaceControlUnit)的标准配备数量有两块MPC板，即EICU-A和EICU-B,采用冗余设计，主要为与外部系统(主机遥控系统、安保系统、报警系统等)提供通信接口起到转换过滤作用。（2）ECU(EngineControlUnit)的标准配置数量有两块MPC板，即ECU-A和ECU-B,两者采用冗余设计。ECU是主机控制的核心，还具备调速器功能五、船舶智能柴油机控制系统3.MANME船舶智能柴油机控制系统（3）CCU(CylinderControlUnit)的标准配置数量取决于柴油机的气缸数,即每个气缸配置一个MPC板(CCU1-CCUn)。其主要作用有:根据燃油喷射定时和循环喷油量的命令控制本缸燃油喷射、排气阀启闭、气缸油注射、缸头起动阀的动作等。（4）ACU(AuxiliaryControlUnit)的标准配置数量是三个MPC板,分别为ACU1、