柴油發動機電控方案及故障診斷

潘棟倫

(浙江新柴股份有限公司，浙江 新昌 312500)

1 柴油發動機電控方案

1.1 柴油發動機電控原理

通過設計、建造、安裝和測試自動電子控制系統，并與柴油發動機一起使用，以取代舊的推進裝置系統燃氣輪機控制。柴油發動機控制室執行操作時，采用4個引擎的位置，以確保發動機的正常運行。柴油發動機電控指令是通過與可編程邏輯控制器接口的觸摸屏本地控制面板來實現的，可編程邏輯控制器接收操作員的指令，分析柴油發動機情況、其它推進系統的狀態，并將電子指令傳送給可編程邏輯控制器，觸發驅動發動機的驅動元件。可編程邏輯控制器還監視和獲取在最佳條件下運行的參數，并設置安全閾值操作。

1.2 柴油發動機電控性能分析

為了評價柴油發動機電控系統的性能，對系統進行了設計、物理實現和測試。可更換硬件模塊有助于在發生故障時進行系統維護，并及時更換模塊，通過改變在PLC中實現的程序，可以很容易地實現對系統或操作參數軟件的革新。用于柴油發動機電控系統，在其他應用中使用的特定FADEC(全權限數字發動機控制)系統被一個實現相同功能的本地控制面板取代。

1.3 柴油發動機電控方案設計

柴油發動機電控系統選用的通用電氣VersaMax可編程邏輯控制器包括：CPU(中央處理單元)、電源24V直流單元、15路和8路模擬輸入模塊、4路模擬輸出模塊、32路數字輸入模塊和32路數字輸出模塊。CPU通過以太網與本地控制柜中的操作員面板和發動機指揮室中的計算機控制進行通信，使用其它應用中的硬件來驗證項目的測試次數，在其它應用中證明了項目的可靠性，為不同控制系統所需的測試提供合理的參數，柴油發動機電控系統的試驗與發動機制造商進行的試驗差別不大。柴油發動機電控安裝在柴油發動機工作臺上，柴油發動機電控在合理的配置下，完成性能測試。考慮到與測量參數的距離、調試的方便性，確定了放置傳感器的配置以及選擇最佳位置，以盡量減少對設備的環境影響(如發動機內滲透、濕度、環境溫度和壓力等)，對扭矩傳動的機油壓力和廢氣壓差進行調節。通過安裝在發動機控制室中的觸摸屏對發動機進行遠程控制，兩個面板上顯示的參數相同，但顯示布局不同，在兩個不同的軟件中進行配置(本地面板為通用電氣的Proficy機器版本，遠程面板為菲尼克斯電氣的Visu+)。與舊系統相比，新的自動化電子系統允許在現代解決方案中，集成發動機控制和監控，使用可編程邏輯控制器實時保存發動機數據，實現數據保護。PLC實現的軟件程序實現了以下功能：規定柴油發動機電控的起動順序；完善柴油發動機燃油分配器，保證起動并達到怠速；根據發動機的具體性能曲線控制發動機在負載條件下的運行；確保柴油發動機的工作極限條件和相應的警告和警報。柴油發動機電控制涉及對發動機和螺旋槳的自動控制的最小干預，控制舊發動機功率的節氣門，用于新發動機，從而獲得該信號，并根據該信號，提升發動機為柴油機提供必要的動力，最大功率約為3.5兆瓦。將節流信號轉換為AECS系統直流信號，將節氣門位置的高壓壓縮機信號進行計算，由壓力傳感器轉換成統一的4～20mA信號。通過PLC的軟件編程，將其值轉換為柴油發動機電控所需高壓壓縮機的相應轉速。燃油閥的位置或開度被自動調節，以設定柴油發動機運行的所需速度。

在柴油發動機電控設計時，要設計各類參數，分別對熱態啟動、軸油壓、節流壓力信號、杠桿、螺旋槳轉速、高壓壓縮機轉速、低壓壓縮機轉速、動力渦輪機轉速、進油溫度、出口油溫、低壓壓縮機轉速、計算出的機間溫度、機后測得的氣體溫度、燃油計量閥位置、放氣閥位置、壓縮機壓力、放氣閥施加位置、指令信號開/關放氣閥、發動機進口空氣溫度、發動機振動、軸振動、用接近傳感器測量的軸振動、發動機機油壓差、發動機燃油壓力、發動機機油進口壓力和發動機燃油溫度進行設計。在參數設計過程中，發動機的轉速達到約22000r/min至最大約28800r/min，單獨使用，在測量間隔內，轉速保持在28500r/min左右。

1.4 柴油發動機電控參數測試

目前，柴油發動機電控設計的基本思想是使發動機系統等價于一個數學模型。在不同條件下，發動機的控制變量是數學模型的輸入變量，發動機的扭矩是數學模型的響應變量。采用經典設計方法、空間填充方法和優化設計方法。空間填充法是一種基于概率分布的參數設計方法，其原理是在多個輸入參數的測試空間中，根據最大化最小距離和最小化最大距離的原則，根據不同的規則分配一組預先確定的實驗點，使實驗點能夠填充到整個實驗空間中。當面對新的發動機時，發動機的工作原理不熟悉，對標定對象的經驗較少，操作人員更適合采用這種方法。空間填充法是一種基于參數設計(DoE)和統計工具的離線優化技術，用于構建決策變量(例如點火提前點火、空燃比)與優化目標，實現最大扭矩和功率，最大限度地減少排放和燃油經濟性。

2 電控柴油發動機常見故障和診斷方法

柴油發動機故障診斷時應該確定發動機常見的故障，感受發動機的運行狀態，對發動機故障做出初步診斷，使用檢測儀確定故障代碼，并對故障進行細節化分析。在故障代碼判斷不出故障時，應該采用讀取數據流頁面，選擇相應的發動機工作狀態數據，判斷數據故障狀態。依據檢測儀給出的數據故障模式，對系統的狀況和回油裝置的壓力進行故障分析。結合故障代碼和故障現象，檢查傳感器和執行器的運行情況，對傳感器與調節部分之間的通訊線路是否存在故障進行有效地檢驗，發現故障后，要即刻排除故障，交給檢查員進行檢測。

3 結語

柴油發動機電控技術近年來得到了廣泛地應用，可以提升柴油發動機的運行效率，降低能耗和污染物的排放。因此，要進一步完善柴油發動機電控技術的設計，并且制定完備的檢修方案。