电子调速器在船舶柴油机上的运用

1、摘要回顾了柴油机电子调速器的发展,综述了电子调速技术在系统模型、软硬件及多功能开发、控制理论、仿真及实验方面的研究现状,提出了柴油机电子调速技术尚需解决的主要问题及发展方向:针对全工况进行系统建模和仿真研究;应用现代控制技术进一步提高调速性能,减少有害排放;增压柴油机的调速控制;并机运行负荷分配的控制;关键部件的研究;多功能开发。关键词:柴油机;调速器;电子燃油调节系统;控制目录引言1一电子调速器的发展前沿21.电子调速器的发展22.电子调速器的特点22.1检测功能22.2控制功能32.3安保功能32.4报警显示功能32.5记录功能3二调速器的功能及组成和工作原理41电子调速器的作用 42 调

2、速器的组成43 调速器的基本原理44 调速过程55.工作原理5三电子调试器在船舶柴油机上的使用与维修61.EFC调速器的结构和工作原理62.EFC电子调速器的调试82.1启动前预调92.2运转后的调整92.3调速率调整92.4增益调整102.5转速微调103.使用中的注意事项及维修10四电子调速器在大功率柴油发电机组上的应用121低速柴油机发电机组的电子调速器122与高速柴油机配套的电子调速器13ABB电子调速器13结束语14参考文献15 引言 柴油机技术近百年来经历了三次飞跃 :20 世纪20 年代以机械喷射式供油系统代替蓄压式供油系统为第一次飞跃;20 世纪50 年代增压技术的应用使柴油机

3、技术产生了第二次飞跃;20 世纪90 年代至今,世界各国已将柴油机电控技术作为衡量柴油机先进性的重要指标。 能源短缺、环保问题、微电子技术和控制理论的发展及对自动化水平要求的提高,推动了柴油机电控技术特别是以微机为核心的数字式电子控制技术的发展。本文回顾了柴油机电子调速器的发展,综述了电子调速技术在系统模型、软硬件及多功能开发、控制理论、仿真及实验方面的研究现状,提出了目前尚需解决的主要问题和今后发展方向。一电子调速器的发展前沿1.电子调速器的发展 调速器作为发动机控制中心,能根据发动机负载变化自动调节发动机循环供油量,保持发动机的转速稳定,从而保证发动机具有良好的工作性能。随着微电子技术及微

4、计算机技术的发展及在发动机上的应用,20 世纪6 070 年代研制成功了模拟式电子调速器,20 世纪80 年代由模拟式电子调速器发展到了由MPU 微处理器和数字电路组成的数字式电子调速器。其代表产品为德国MTU 公司的R082 型。图1 为R082 数字式电子调速器双闭环控制原理图。该调速器的主要功能为:调速;限制功能(如油量、增压压力等) ;测量输出模拟信号(如转速、齿杆位置) ;R082 故障操作显示输出;向外部监测系统输出调速器的重要参数;看门狗功能;测试和备用功能;停车;紧急停车。 现代控制理论、自适应控制、自学习系统等的进展使电子调速器的研究具备了更完善的理论基础与机械式、液压式调速

5、器相比,电子调速器具有调节精度高,结构简单,易实现自动化等优点,是今后调速器的发展方向 。2.电子调速器的特点2.1检测功能电子调速器具有检测柴油机转速、扫气压力、燃油齿条格数的功能，这3个参数对电子调速器是极为重要的 通过电子调速器，可知道柴油机目前的运行状态。2.2控制功能电子调速器具有柴油机转速、负荷突变、负荷限制、慢转、vIT(可变喷油准时)以及燃油经济供油方式等控制功能。 从以上几种控制方式中可以看到，电子调速器不但能控制柴油机转速，而且还具有各种功能控制来改善和提高柴油机的运行性能，其最太优势可人为设置和改变各种参数以达到柴油机最佳的运行方式。2.3安保功能电子凋速器具有柴油机降速

6、、超速保护以及停车等功能 也可外接安全系统，完成各种安保功能。通常柴油机在运行中会遇到各种海况，以及船上各种系统发生故障此时电子调速器会自动降速或停车以保护运行中的柴油机。2.4报警显示功能电子调速器具有柴油机转速、正车倒车、扫气压力、燃油齿条供油格数等显示功能外，还设置了一些电子调速器自身工作状态的监视。通常不同的电子调速器有其不同的监视内容如有异常情况及剐发出报警信号。2.5记录功能电子调速器具有记录柴油机在运行中在电子调速器控制范围内所发生的故障现象，此时为检查故障所在部位时，您可打开电子调速器的记录功能，便能及时判断和处理故障。为维护人员检查故障带来了极大的参考价值。通常没有人为清除故

7、障信息它一直会保持这条信息的存在并有时间记录(尽管故障已被清除)。二调速器的功能及组成和工作原理1电子调速器的作用 调速器是用来保持柴油机的转速稳定的。在柴油机的负载变化的过程中，它的转速是会相应发生变化的。当转速降低时，如果调速器不调节，柴油机最终将停掉；当转速升高时，如果调速器不作用，柴油机最终将无法承受过大的离心力而损坏。调速器的作用就是保持柴油机的转速稳定。另外，调速器还可以保持柴油机的最低转速和最高转速，防止，低转速运转时熄火和高转速运转时“飞车”，造成机械损坏。 柴油机运转时,喷油泵的供油量应随发动机的转速不同而有所差别,即随发动机转速的升高,供油量应增大.但是,如果没有调速器加以

8、控制,供油量会随着发动机转速的升高而增加,这种现象的继续,可以在短时间内使发动机超过额定转速而造成"飞车",致使发动机过热,冒黑烟,以致发生损坏机件的现象.反之,当发动机转速降低时,如果没有调速器,喷油量将随发动机转速的降低而减少,直至迫使发动机熄火.因此,在柴油机上必须装有可靠的调速器.2 调速器的组成 调速器由速度感受元件、控制机构、执行机构组成。速度感受元件是分布在柴油机自由端处的两个速度传感器：XJY.0CS006,007；控制机构是分布在柴油机靠近发电机一侧的本体上的两个“黑匣子”，两套控制机构是互为备用的，当一套控制机构故障时，会自动切换到另一套；执行机构分布在

9、柴油机的自由端，速度传感器的上部，其内部有管线与柴油机润滑油系统的一支管线相连，用作动力。3 调速器的基本原理 调速的基本原理：改变进入气缸进行燃烧的柴油的数量（加大或者关小“油门”），就可以改变柴油机的转速或者负荷。如果保持转速不变，改变燃油的数量就可以改变柴油发电机的负荷；如果保持柴油发电机的负荷不变，改变燃油的数量，就可以改变柴油机的转速。调速器就是在保持转速不变的情况下，改变（或者适应）柴油发电机的负荷。4 调速过程 在讲调速过程之前，先看一下燃油的油路：燃油经过柴油机驱动的泵，经过过滤器（见第五章燃油系统介绍）进入柴油机两侧的进油管，然后由进油管进入每一个气缸对应的高压柱塞泵（该泵由

10、柴油机的曲轴经凸轮轴带动），高压油经过喷射器后进入气缸燃烧做功。柴油机（曲轴）每旋转两周，凸轮轴旋转一周，即往气缸里送一次油。每一次打入气缸的油量（即柱塞泵的柱塞行程）是可以调节的，这种调节就是所谓的开大或者关小“油门”。 调速器的调速过程：先由速度探测元件感受到速度的变化，然后传递给速度控制机构，与设定的速度值进行比较，该差值的正负将决定是关小还是开大 “油门”。该差值信号（电信号）传递给执行机构，在执行机构中，经过润滑油系统的压力放大后（液压调节）来驱动“油门”开大或者关小。5.工作原理 电子调速器是采用电子控制燃油喷射及排放的电子控制系统。电子调速器主要完成柴油机的调速控制，通过变换执行

11、机构可适合不同的发动机机型。与机械调速器相比，其调速性能好、传动系统结构简单、安装维护方便。同时，根据用户的特殊要求扩展设计油温、水温、油压、超速监测，以保护发动机免受损坏；系统还可扩展继电器输出和开关量输入，可根据用户的具体需要进行配置（如：柴油机发电机组自启动控制）。 电子调速器系统由控制器、传感器和执行器三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、油门踏板位置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度等传感器，将实时检测的参数同时输入控制器，与已储存的设定参数值或参数图谱(MAP图)进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后

12、的目标值把指令送到执行器，执行器根据控制单元指令控制喷油量和喷油正时，使柴油机运行状态达到最佳。由于电子技术的发展，电子控制系统已愈加广泛地应用在发动机上，其中电子调速器在柴油机上的应用已达到非常令人满意的效果。电子调速器是根据接受的电信号，通过控制器和执行器来改变喷油泵供油量的大小。电子调速器的基本原理图三电子调试器在船舶柴油机上的使用与维修 用作柴油发电机组的电子调速器同机械调速器相比具有下列主要优点：1.瞬时转速变化小2.自动同步运转3.自动负荷分配4.对复杂控制要求的适应性好。除此之外，电子调速器还有一个优点就是不需要由发动机来驱动，因此电子调速器广泛应用于船舶辅机上。例如使用EFC(

13、electric-fuel-control),Cummins的船用应急发电机。如今电子调速器已逐步在船舶主机上得到应用,例如使用DYNA Power Controls 的伯尔根(BRRGEN)船用主机。以EFC 电子调速器的结构和使用维修。 1.EFC调速器的结构和工作原理 康明斯CumminsV-1710柴油机采用的EFC电子调速器系统结构。如图1 所示:由它们共同组成一套自动调节系统􀇠其基本组成框图如图2所示。EFC 电子调速器主要包括1个电磁传感器1个调速器控制板1个执行器及其它安装零件。 作为船舶辅机要使发动机的转速一定以维持稳定的供电频率,但当用电负荷发生变化时,其

14、供油量也应随之发生变化以保持转速不变。当发动机因外载负荷变化而发生转速改变时,电磁传感器便从柴油机飞轮上拾取与飞轮转速变化相应的频率变化信号,并传送给调速器控制板,其电磁传感器的波形图如图3 所示。 在调速器控制板中的运算器根据发动机工作速度设定值,调速率以及当前工作转速,通过改变EFC 执行器电压的大小,控制执行器来改变发动机的柴油供给量,使其转速稳定在要求范围内,相应的发电机输出的电压和频率保持在正常的范围之内􀇠即EFC执行器电压为零时,如图4所示,执行器件1上的供油(以下称“ 开口”)闭合,电压愈大,执行器的供油开口愈大,供给柴油机的柴油量愈多,最终影响柴油机的转速变化

15、,达到用电设备的工作要求。2.EFC电子调速器的调试 柴油发电机组在出厂时,电子调速器调整系统都已调整好,安装试机时无特殊情况无须再调,如果柴油发电机组发生故障需要检修或调速系统需要更换元器件等情况,需对EFC电子调速器进行调整。EFC电子调速器控制板上有4个供运行系统调整用的电位器􀇠它们分别是怠速旋钮、运行旋钮、增益旋钮和转速降旋钮。2.1启动前预调 (1)将调速板上IDLE RUN(怠速运行)开关置于IDLE(怠速)位置上。 (2)在调速板上将IDLE-speed怠速调整电位器调到中间位置􀇠即将该电位器逆时针方向旋转20圈,再顺时针方向旋转10圈即可。

16、(3)将RUN-speed运行速度电位器调到中间位置􀇠先逆时针旋20圈􀇠再顺时针方向旋10圈即可。(4)将GAIN增益电位器调到中间位置􀇠即指针指到50。（5）将DROOP调速率电位器逆时针旋到底，即调速率为0，若调速率要求%3时，预先调到指针指向40位置，若调速率要求%5时，则预先调到指针指向80位置上，如果要求其它调速率􀇠则按此比例预先调到相应位置上。2.2运转后的调整 (1)将IDLE-RUN(怠速运行)开关,扳向IDLE(怠速)位置,启动柴油机。 (2)调整调速板上的IDLE-speed(怠速电位器)将转速调到60

17、0650r/min。 (3)将IDLE RUN(怠速运行)开关,扳向RUN(运行)位置,再将调速板上的RUN-speed运行转速控制电位器至空载转速，不同的转速降所要求的空载转速如表1所示。表1 不同工作频率不同调速率所对应的空载转速发电机频调整参50HZ60HZ50.051.552.56061.063发电机空载转速（r/rim）150015451575180018541890调速率（%）0%3%5%0%3%5%2.3调速率调整 (1)柴油发电机组运行后，合上供电开关，加上额定功率负荷。(2)检查频率表指示的频率是否为50HZ。1）如果频率小于50HZ,则逆时针方向缓慢转动调速板上的DROOP

18、调速率电位器,直至频率调至50HZ。 2）断开供电开关卸去全部负载，检查空载转速是否符合要求，若不符要求，调整调速板上的RUN-speed运行电位器至空载转速为额定值。 3)再次合上供电开关,输出额定功率,频率表应为50HZ,若不是50HZ,则重复上述步骤,通常进行2-3次的连续调整方可达到要求。 4)当只有部分负荷时(无法得到全负荷)可用下式计算出在得到的局部负荷下的运行转速及转速降。Sd=Sn1（可能得到的负荷/额定功率 *（Sn1-Sf1）式中：Sal为在可得到的负荷下的转速;Sfl为在全负荷下的转速;Snl为无负荷转速。 例如可得到的负荷为400KW,额定负荷为500KW,在全负荷下的

19、转速为1800r/rim，无负荷转速为1854r/rim，在可得到的负荷下的转速为：Sal=1854(400/500 *(1854-1800)=1811r/rim2.4增益调整(1)通过上述调整之后,合上供电开关,给机组加上1/4额定负荷。(2)经过观察确认柴油机的转速是稳定的,按顺时针方向缓慢转动GAIN增益电位器,直到发动机运转不稳定为止。(3)反时针方向转动电位计,慢慢转动直到转速稳定为止。(4)再继续反时针方向把增益电位器多转1/2格。2.5转速微调通过上述各项调整后,柴油机在正常运行时上面已调定的电位器就不要再动,若在使用过程中需要调整转速至额定值(通常为1500r/rim)仅需调整

20、调速板上外接的微调电位器,可调范围为_+100r/rim以内。3.使用中的注意事项及维修 (1)由于该电子调速器是靠电池24v直流电源供给,因此当蓄电池电压低于正常值时,调速器控制板将停止工作。(2)电磁传感器是电子调速器EFC的速度感应元件,一旦转速信号丢失或不正常,EFC也将停止调速功能而停止发动机,因此电磁传感器必须正确安装和维护,必须保证传感器顶端与齿圈上齿顶端的距离为0.711.07mm,安装的方法是先把电磁传感器拧到与飞轮齿圈接触时为止,注意操作时用力不要过大,再把电磁传感器拧回(退出)1/2圈即可。(3)当启动发动机时电磁传感器信号电压若小于交流1.5v,应检查传感器顶端是否清洁

21、或可通过拧进传感器1/81/4圈进行调整,直到符合规定为止。(4)在EFC电子调速器中唯一的机械零件就是执行器,由于使用过程中负荷不断地变化,因此执行器钢制传动轴将随负荷的改变而不停地转动,去适应负荷的变化,从而改变供油量稳定频率，但因长期急剧转动􀇠执行器铝制外套也会发生不同程度的机械磨损，该磨损使油泵向发动机供油途中产生泄漏，并随着发动机温度的提高，执行器泄漏量也会增大。EFC调速执行器电压的改变已不能精确控制执行器供给发动机的柴油量,造成燃油供给量过多而发动机失控,引起发动机超速运行。 如果执行器磨损达到极限，造成泄漏量超过发动机额定转速，则发动机启动后会立即使超速保护装

22、置动作而停车。 (5)由于执行器装于PT泵的内部，受空间限制，驱动电动机功率小，当使用的柴油不清洁或维修保养不当，造成杂物和微小颗粒进入发动机的燃油系统内，并进入到执行器中，就会卡住执行器，妨碍其正常转动。 如果执行器在开口最小位置卡住，则发动机仅能维持怠速动转，没有高速，有时会因供油量不足引起启动困难，甚至不能启动。 如果执行器在发动机高怠速（1800r/rim）空负荷位卡住，发动机就会一直维持高怠速运转，当工作时负荷加大，执行器不能提供相应的柴油供给量时，发动机转速就立即下降，直至停车。 如果执行器在最大开，位置卡住，柴油供给量超过发动机额定转速供给量，则发动机启动后立即达到高速使超速保护

23、装置动作。 (6)使用过程中必须保持柴油清洁,燃油系统中若进入污染物,也会加剧执行器外套的磨损或卡滞,使执行器发生故障。 电子调速器是一个动力机电一体化的柴油机调速系统,只有按照机电一体化途径,从机械、电子、液压控制多方面去分析研究,才能更好地使用维护电子调速器。四电子调速器在大功率柴油发电机组上的应用1低速柴油机发电机组的电子调速器 从小上列述的电子调速器特点中，我们已经感受到电子搁速器不仅仅是为了控翩柴油机的转速其控制等各种功能具有对柴油机整个系统进行控制和监视，尽可能使柴油机运行在最佳状态。如下图所示：从图中看到，控制装置从机组中不但抬取转速信号，同时还抬取功率信号，这样调速器始终知道当

24、前发电机组的输出功率，构成了一个较为完整的闭环控制系统。一旦系统发生故障产生跳闸，能保证柴油机组不产生飞车，这是最重要的。2与高速柴油机配套的电子调速器 与低速柴油机直接驱动螺旋桨的简单推进装置相比较, 高速柴油机推进装置通常要来得复杂一些。在大多数情况下, 发动机和螺旋桨之间还装有高弹性联轴节、离合器和减速齿轮箱。为了保证推进装置的安全运转, 与高速发动机配套的电子调速器功能要求也相应有所提高。ABB电子调速器 鉴于发动机调速器市场十分广阔, ABB公司近年内充分利用其在工业机器人和工业过程自动控制领域所积累的专门知识也在从事电子调速器的开发研究。与液力调速器相比, ABB自动化公司认为龟子调速器另有下列优点:a.所有控制参数均可很容易表达为电量(电压或电流)以取代弹簧、连杆和液压滑阀这意味着电子调速器可作为一种标准产品来进行设计, 而且电子调速器的零部件也具有良好的通用性。b.在液力调速器中, 有相当一部分动力转化为热能而白白损耗。而电子调速器无此功率损失, 是一种“ 节能” 产品。c.维护保养简便, 费用省。 针对有些动力装置轴系扭转振动较大,ABB公司推出了QHFD 310附件, 此附件可有效消除扭振千扰, 使调速器工作稳定。 结束语 目前，挖掘电子调速器的主要问题与