*CN102259699A*
(10)申请公布号 CN 102259699 A(43)申请公布日 2011.11.30
(12)发明专利申请
(21)申请号 201110136603.0(22)申请日 2011.05.24
(71)申请人武汉理工大学
地址430071 湖北省武汉市洪山区珞狮路
122号(72)发明人汤旭晶 陈欢欢 黄瑶瑶(74)专利代理机构湖北武汉永嘉专利代理有限
公司 42102
代理人王守仁(51)Int.Cl.
B63H 11/00(2006.01)
权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页
(54)发明名称
基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置(57)摘要
本发明提供的基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，包括减速齿轮箱、主机遥控装置、电子调速器、控制器、助喷电磁阀、压缩空气。所述减速齿轮箱、主机遥控装置和电子调速器，其输出端分别与控制器的输入端电连接；控制器的输出端与助喷电磁阀电连接，助喷电磁阀安装于柴油主机补气管上，补气管连接到涡轮增压器压气机端的蜗壳上。当助喷电磁阀得电动作后，压缩空气通过补气管流向压气机叶轮，从而增大空气容量并使增压器加速；这样，柴油机进气总管获得所需的增压空气压力，实现船舶柴油主机的助喷。本发明实时监测柴油主机转速、起动空气压力、扫气压力和柴油机负荷，具有助喷功效好，可改善燃烧室燃烧状况和减少柴油机排气管污染等优点。CN 102259699 ACN 102259699 ACN 102259702 A
权 利 要 求 书
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1.基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，其特征是该助喷控制装置包括减速齿轮箱、主机遥控装置、电子调速器、控制器、助喷电磁阀、压缩空气,其中：所述减速齿轮箱、主机遥控装置和电子调速器，其输出端分别与控制器的输入端电连接；控制器的输出端与助喷电磁阀电连接，该助喷电磁阀安装于柴油机补气管上；柴油机补气管连接到涡轮增压器的压气机端的蜗壳上，当助喷电磁阀得电动作后，压缩空气就通过柴油机补气管流向压气机叶轮，从而增大空气容量并使增压器加速，这样，柴油机进气总管可获得所需的增压空气压力，完成对船舶柴油主机的助喷功能。
2.根据权利要求1所述的基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，其特征是所述控制器包括CPU、电流/电流隔离器、模拟量输入模块、开关量输入模块、开关量输出模块和继电器，其中：所述开关量输入模块，其输入端与主机遥控装置、减速齿轮箱、柴油主机飞轮端接近开关电连接，其输出端与CPU输入端总线连接；所述模拟量输入模块，其输入端与主机遥控装置、电子调速器电连接，其中两个输出端直接与CPU输入端电连接，另一个输出端与电流/电流隔离器输入端电连接后再与CPU输入端电连接；CPU的输出端与开关量输出模块输入端总线连接，开关量输出模块输出端与继电器电连接。
3.根据权利要求2所述的基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，其特征是所述开关量输入模块输入端采集开关量信号，分别是：安装于柴油主机飞轮上的接近开关的高速脉冲信号，柴油主机的正/倒车合排信号，减速齿轮箱的正/倒车油压反馈信号。
4.根据权利要求2所述的基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，其特征是所述模拟量输入模块输入端采集柴油主机的模拟量信号，分别是：起动空气压力信号，扫气压力信号，负荷信号。
5.根据权利要求2所述的基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，其特征是所述开关量输出模块输出有两路开关量信号，分别是控制助喷电磁阀和助喷开启指示灯的工作信号。
6.根据权利要求2所述的基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，其特征是所述电子调速器输出PID信号，而非柴油机齿条位移信号。
7.基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置的用途，其特征是权利要求1至6中任一权利要求所述的助喷控制装置适用于不可逆转柴油主机带减速齿轮箱的船舶动力装置系统，该装置使用过程中，其实时监测柴油主机转速、起动空气压力、扫气压力和柴油机负荷；若超负荷，对柴油机进行补气。
8.根据权利要求7所述的用途，其特征是当起动空气压力大于工艺设定值，扫气压力小于工艺设定值，柴油主机转速大于工艺设定值这三种助喷必要条件时，如果满足下列中的任一条，该助喷控制器立即释放助喷功能：
（1）柴油主机起动时，立即开启助喷控制装置：柴油主机起动时，助喷控制装置根据计算得到的转速判定是否达到柴油主机的发火转速，若是，控制器立即开启助喷电磁阀，使压缩空气进入柴油机补气管，实现起动助喷；8秒后，助喷控制装置关闭；
（2）航行中有大负荷产生，立即开启助喷控制装置：柴油主机正/倒车合排后，延时20秒，助喷控制装置进入大负荷监测；若电子调速器的负荷信号在1秒内增加超过20%，则判断输出有大负荷产生，控制器立即开启助喷电磁阀，
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权 利 要 求 书
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对柴油机补气管补气；8秒后，助喷控制装置关闭；（3）柴油主机正/倒车合排时，延时开启助喷控制装置：柴油主机正/倒车合排时，控制器根据主机遥控装置的正/倒车合排指令信号，逻辑运算并延时2.5秒，输出指令开启助喷电磁阀，压缩空气进入柴油机补气管，实现柴油主机合排助喷；8秒后，助喷控制装置关闭。
9.根据权利要求7所述的用途，其特征是：起动空气压力、扫气压力和柴油主机转速的工艺设定值分别为15bar、1bar、200rpm。
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说 明 书
基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置
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技术领域
本发明涉及控制器领域，特别是一种船舶柴油主机的助喷控制器，它基于微控制器，属于船舶制造技术领域。
[0001]
背景技术
近几十年来，增压技术普遍应用于船用大中型柴油机，尤其是废气涡轮增压技术的发展使柴油机性能的提高产生飞跃。但是随着增压技术的进一步应用，增压柴油机的瞬态响应性能和柴油机的排放问题日益突出。例如在负荷突加时废气涡轮增压器的增压效果并不理想，因为在负荷突加时，调速器经PID运算输出控制信号会对主机供油量有较快增加，但这时增压空气压力来不及变化，往往造成油多气少的现象，从而引起燃烧室燃烧不完善、积炭严重以及主机冒黑烟等一系列问题。不仅使主机气缸工作环境变差，并且造成环境污染。因此，助喷技术应运而生，助喷技术是将压缩空气引入增压器压气机中，使增压器转速加快，从而使扫气压力增加。助喷不仅可以改善增压柴油机涡轮增压器的延迟，也能改善发动机性能。
[0003] 已有技术中，MAN B&W公司设计了Lambda控制器。当柴油机的负荷突然增加时，安装在油门总杆上的霍尔传感器就会上升与Lambda控制器的活塞杆接触，这一信号触发助喷电磁阀得电开启。Lambda控制器主要应用于柴油发电机组的柴油机大负荷助喷，因发电柴油机不存在合排现象，所以Lambda控制器设计时并未区分合排大负荷与运行中产生的大负荷。且柴油主机功率大、工况复杂，因此Lambda控制器并不适用于船舶柴油主机的助喷控制；Lambda控制器采用机械式结构设计，安装复杂，使用中的调整维护亦很繁琐。
[0002]
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，以克服上述现有技术的不足。
[0005] 本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，其包括减速齿轮箱、主机遥控装置、电子调速器、控制器、助喷电磁阀、压缩空气。其中：所述减速齿轮箱、主机遥控装置和电子调速器，其输出端分别与控制器的输入端电连接；控制器的输出端与助喷电磁阀电连接，该助喷电磁阀安装于柴油机补气管上；柴油机补气管连接到涡轮增压器的压气机端的蜗壳上，当助喷电磁阀得电动作后，压缩空气就通过柴油机补气管流入压气机叶轮，从而增大空气容量并使增压器加速。这样，柴油机进气总管可获得所需的增压空气压力，完成对船舶柴油主机的助喷功能。[0006] 所述控制器包括CPU、电流/电流隔离器、模拟量输入模块、开关量输入模块、开关量输出模块和继电器，其中：所述开关量输入模块，其输入端与主机遥控装置、齿轮箱、柴油主机飞轮端接近开关电连接，其输出端与CPU输入端总线连接；所述模拟量输入模块，其输入端与主机遥控装置、电子调速器电连接，其两个输出端直接与CPU输入端电连接，另一个
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输出端与电流/电流隔离器输入端电连接后再与CPU输入端电连接；CPU的输出端与开关量输出模块输入端总线连接，开关量输出模块输出端与继电器电连接。[0007] 所述开关量输入模块输入端可以采集以下的开关量信号：安装于柴油主机飞轮上的接近开关的高速脉冲信号，柴油主机的正/倒车合排信号，减速齿轮箱的正/倒车油压反馈信号。
所述模拟量输入模块输入端可以采集以下的柴油主机的模拟量信号：起动空气压
力信号，扫气压力信号，负荷信号。
[0009] 所述开关量输出模块可以输出有两路开关量信号，分别是控制助喷电磁阀和助喷开启指示灯的工作信号。
[0010] 所述电子调速器输出的PID整定信号，作为柴油机负荷信号。[0011] 本发明提供的上述基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，适用于不可逆转柴油主机带减速齿轮箱的船舶动力装置系统，该装置使用过程中，其实时监测柴油主机转速、起动空气压力、扫气压力和柴油机负荷。若超负荷（剧烈变化），对柴油机进行补气。[0012] 当起动空气压力大于工艺设定值，扫气压力小于工艺设定值，柴油主机转速大于工艺设定值这三种助喷必要条件时，如果满足下列中的任一条，该助喷控制器立即释放助喷功能：
（1）柴油主机起动时，立即开启助喷控制装置：柴油主机起动时，助喷控制装置根据计算得到的转速判定是否达到柴油主机的发火转速，若是，控制器立即开启助喷电磁阀，使压缩空气进入柴油机补气管，实现起动助喷；8秒后，助喷控制装置关闭；
（2）航行中有大负荷产生，立即开启助喷控制装置：柴油主机正/倒车合排后，延时20秒，助喷控制装置进入大负荷监测；若电子调速器的负荷信号在1秒内增加超过20%，则判断输出有大负荷产生，控制器立即开启助喷电磁阀，对柴油机补气管补气；8秒后，助喷控制装置关闭；
（3）柴油主机正/倒车合排时，延时开启助喷控制装置：柴油主机正/倒车合排时，控制器根据主机遥控装置的正/倒车合排指令信号，逻辑运算并延时2.5秒，输出指令开启助喷电磁阀，压缩空气进入柴油机进气总管，实现柴油主机合排助喷；8秒后，助喷控制装置关闭。[0013] 上述起动空气压力、扫气压力和柴油主机转速的工艺设定值分别为15bar、1bar、200rpm。
[0008]
本发明与现有技术相比具有以下主要优点：其一. 助喷功效好：
区分齿轮箱合排产生大负荷与航行中工况剧烈变化产生大负荷这两种不同的控制模式。齿轮箱合排时，如果通过检测负荷开启助喷，势必造成时间上的滞后，而本装置是采集到主机遥控装置正/倒车合排指令信号后经一定延时（考虑主机遥控装置发出正/倒车合排信号需转换成气信号到齿轮箱气控阀，再转换成液压执行信号的固有时间），开启助喷，可克服前述的滞后，明显改善了补气效果。而延时时间可整定，以适应不同船舶的推进系统，使助喷功能发挥最佳效果，可视排烟减少达50%以上。[0015] 其二. 可改善燃烧室燃烧状况：
[0014]
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说 明 书
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在瞬间负荷突然增加时开启助喷，可改善燃烧室燃烧状况，减少可视排烟40%以上，并且使补气准时适量。传统助喷控制采集齿条位移为负荷信号，有一定时间的滞后，即从负荷突加到助喷补气开启有一定的时间延迟，虽然能部分改善柴油机冒黑烟状况，使燃烧室燃烧状况部分得到改善，但滞后效应会使柴油机气缸内出现短暂少气的情况，仍有一定程度的可视排烟，燃烧不完全。本发明采集电子调速器经PID运算输出（即发送到电液执行器开大油门信号）为负荷信号，此信号表明大负荷已经产生。采集此信号能修正采集位移传感器反馈信号所带来的滞后效应，使助喷及时准确开启。[0016] 其三.可减少柴油机排气管污染。附图说明
图1是本发明基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置的结构图。
[0018] 图2是控制器的结构图。[0019] 图3是起动助喷逻辑图。
[0020] 图4是突加大负荷助喷逻辑图。[0021] 图5是正车合排助喷逻辑图。[0022] 图6是倒车合排助喷逻辑图。[0023] 图中：1.助喷电磁阀； 2.柴油主机补气管； 3.螺旋桨； 4.艉轴； 5.曲轴； 6.柴油机飞轮端接近开关； 7.开关量输入模块； 8.模拟量输入模块； 9.开关量输出模块； 10.电流/电流隔离器。
[0017]
具体实施方式
[0024] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。 [0025] 本发明提供的基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置，其结构如图1所示：包括减速齿轮箱、主机遥控装置、电子调速器、控制器、助喷电磁阀、压缩空气以及柴油机补气管。其中：所述减速齿轮箱、主机遥控装置和电子调速器，其输出端分别与控制器的输入端电连接。控制器的输出端与助喷电磁阀1电连接，该电磁阀安装于柴油机补气管2上。柴油机补气管2与涡轮增压器机械连接，即柴油机补气管连接在涡轮增压器的压气机的蜗壳中，当助喷电磁阀1得电动作后，压缩空气就会通过柴油机补气管2进入压气机的蜗壳中并流向压气机叶轮，增大空气容量且使增压器加速，完成对船舶柴油主机的助喷功能。[0026] 所述主机遥控装置是目前使用的遥控船舶柴油主机起停、换向和加减速的控制系统，其包括遥控操纵台、微控制器、测速装置、安全保护装置及执行机构在内的五大部分。所述减速齿轮箱是目前使用的柴油主机与螺旋桨3、艉轴4间的机械减速耦合装置，也是船舶正倒车换向航行的执行机构，即主机遥控装置发出换向指令，由减速齿轮箱执行。图1中，编号5和6分别是曲轴、柴油机飞轮端接近开关。
[0027] 所述电子调速器是目前使用的控制柴油主机转速的执行机构，即主机遥控装置根据驾驶台操纵手柄信息和当前柴油主机工作状态程序计算输出加速（减速）指令到电子调速器，电子调速器调节油门开度使转速稳定在设定值上，同时它还有柴油主机负荷控制功能，保证柴油主机在任何工况下不超负荷运行。该电子调速器主要由微控制器、转速拾取器及转速单元控制电源等组成。
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所述控制器为本发明的核心部分，其结构如图2所示：包括CPU，开关量输入模块7，模拟量输入模块8，开关量输出模块9，电流/电流隔离器10，继电器。其中：开关量输入模块输入端采集开关量信号，分别是高速脉冲信号、正/倒车合排信号、正/倒车油压反馈信号，开关量输入模块输出端与CPU输入端总线连接，模拟量输入模块输入端采集模拟量信号，分别是起动空气压力信号、扫气压力信号、负荷信号，模拟量输入模块的两个输出端直接与CPU输入端电连接，其另一个输出端与电流/电流隔离器输入端电连接后再与CPU输入端电连接，CPU的输出端与开关量输出模块输入端总线连接，开关量输出模块输出端与继电器电连接。
[0029] CPU 是ABB公司AC500-eCo 系列 PM554，主要参数：128kB程序存储空间；执行一条指令的循环周期：二进制0.1us、字变量0.3us、浮点运算6.0us；自带8路开关量输入，6路开关量输出；两个串口；4路中断输入（可配置）；2路高速输入（可配置）；2路PWM输出。模拟量输入模块采用ABB公司AI561，有4路模拟量输入，可配置成4-20mA、0-20mA、0-10V、-10-10V等多种形式，分辨率为12位。
[0030] 本发明提供的基于微控制器的船舶柴油主机助喷控制装置（以下简称助喷控制装置），能够实时监测柴油主机转速（拾取柴油机飞轮上接近开关脉冲信号计算得到）、起动空气压力、扫气压力和柴油机负荷。起动空气压力大于某一设定值（如15bar）、扫气压力小于某一设定值（如1bar）、柴油主机转速大于某一设定值（如200rpm）这三者为助喷必要条件，如果满足下列中任一条，助喷功能立即释放。[0031] 1.柴油主机起动时，立即开启助喷控制装置。[0032] 柴油主机起动时，助喷控制装置根据计算得到的转速判定是否达到柴油主机的发火转速，若是，立即开启助喷电磁阀1，使压缩空气进入柴油机补气管2，实现起动助喷。8秒后，助喷关闭。逻辑图如图3。[0033] 2.航行中有大负荷产生，立即开启助喷控制装置。[0034] 柴油主机正/倒车合排后，延时20秒，助喷控制装置进入大负荷监测。电子调速器的负荷信号在1秒内增加超过20%，则判断输出有大负荷产生，控制器立即开启助喷电磁阀，对柴油机补气管补气。8秒后，助喷结束。逻辑图如图4所示。[0035] 3.柴油主机正/倒车合排时，延时开启助喷控制装置。[0036] 正/倒车合排时，控制器根据主机遥控装置的正/倒车合排指令信号，逻辑运算并延时2.5秒，输出开启助喷电磁阀1，压缩空气进入柴油机补气管2，实现柴油主机合排助喷。8秒后，助喷关闭。逻辑图如图5、图6所示。[0037] 综上，在柴油主机起动、正/倒车合排和突加大负荷时，柴油机调速器PID调节输出会快速增加油门开度，由助喷控制装置开启助喷电磁阀，使压缩空气进入柴油机补气管，增大空气容量且使增压器加速，从而实现柴油主机气缸空气不足时向其准时、适量地补入空气，尽可能使燃烧室的喷油量与空气量相对应，提高燃烧效率，改善加速特性，实现改善冒黑烟、节油环保的目的。
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