余永華，張立浩, 楊建國(guó)

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

船用柴油機(jī)缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

余永華1，2，張立浩1, 楊建國(guó)1，2

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

研制由基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的數(shù)據(jù)采集硬件和以NI LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)的上位機(jī)軟件組成的船用柴油機(jī)缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集硬件通過以太網(wǎng)與上位機(jī)相連。該系統(tǒng)在線采集上止點(diǎn)、曲柄轉(zhuǎn)角和各缸氣體壓力等信號(hào)，通過等曲柄轉(zhuǎn)角化、上止點(diǎn)標(biāo)定和多周期平均等處理，計(jì)算平均指示壓力、壓縮壓力、爆發(fā)壓力、燃燒始點(diǎn)及膨脹壓力等氣缸壓力特征參數(shù)和放熱率；氣缸壓力特征參數(shù)既可用圖表形式單缸顯示，也可用柱狀圖形式多缸對(duì)比顯示；測(cè)試結(jié)果通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，以便于后續(xù)進(jìn)行歷史趨勢(shì)分析。經(jīng)過柴油機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

船舶工程；船用柴油機(jī)；缸壓；在線監(jiān)測(cè)

柴油機(jī)缸內(nèi)的壓力能反映柴油機(jī)內(nèi)部的熱力過程，通過對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和分析，可研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒過程、氣體與缸壁的傳熱過程和發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的工作狀態(tài)，對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能及進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)噴油時(shí)刻控制、排放控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷均具有重要作用。

國(guó)外一些柴油機(jī)廠商和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已開發(fā)出缸壓測(cè)試系統(tǒng)，具有代表性的有W?rtsil?公司的MAPEX-CR(Cylinder Pressure Analysis)[1]、挪威的Kyma Diesel Analyzer系統(tǒng)、MAN Diesel & Turbo公司的PMI-Online系統(tǒng)[2]和ABB公司的Cylmate System等。在這些系統(tǒng)中：ABB公司的Cylmate System采用其專有的缸壓傳感器并基于Profibus-DP和SyncBus總線技術(shù)采集傳輸數(shù)據(jù)，傳感器使用壽命長(zhǎng)，系統(tǒng)連接方便，但只適用于低速機(jī)；其他系統(tǒng)主要采用壓電式缸壓傳感器和集中數(shù)據(jù)采集技術(shù)，能廣泛適用于中低速機(jī)。

國(guó)內(nèi)開發(fā)的應(yīng)用于船用柴油機(jī)的缸壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較少。對(duì)此，在前期離線缸壓測(cè)試系統(tǒng)[3-4]的基礎(chǔ)上研制一套船用柴油機(jī)缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)等曲柄轉(zhuǎn)角在線采集上止點(diǎn)、曲柄轉(zhuǎn)角和各缸氣體壓力等信號(hào)，通過上止點(diǎn)標(biāo)定、多周期平均等處理，計(jì)算平均指示壓力、壓縮壓力、爆發(fā)壓力、燃燒始點(diǎn)、膨脹壓力和放熱率等，為船用中低速柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供有效的技術(shù)手段。[5-7]

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)氣缸壓力、上止點(diǎn)和曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性能的監(jiān)測(cè)，其硬件結(jié)構(gòu)示意見圖1，包含上止點(diǎn)和轉(zhuǎn)速傳感器、缸壓傳感器、24 V DC電源模塊、調(diào)理電路、采集模塊及上位機(jī)。在柴油機(jī)飛輪端或凸輪軸端安裝磁電式傳感器,獲取曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)和上止點(diǎn)信號(hào)，調(diào)理成TTL信號(hào)后觸發(fā)多缸壓力信號(hào)等曲柄轉(zhuǎn)角采集，通過以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理、缸壓特征參數(shù)計(jì)算及數(shù)據(jù)庫管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)各缸運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。上止點(diǎn)和曲柄轉(zhuǎn)角傳感器既可選用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，又可選用霍爾式傳感器或光電編碼器。缸壓傳感器選用IMES公司的CPS-01型電流型傳感器，該傳感器連接方便，無需電荷放大或電壓偏置。上止點(diǎn)和曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)的調(diào)理參考文獻(xiàn)[3]。缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)各缸缸壓信號(hào)進(jìn)行同步等曲柄轉(zhuǎn)角采樣，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由NI sbRIO-9606和9683組成，具有可重配置Xilinx Spartan-6 LX45 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)，可自定義定時(shí)、內(nèi)處理和控制；提供16路同步模擬輸入通道和32路LVTTL數(shù)字I/O通道；內(nèi)置100 Mbit/s以太網(wǎng)端口，以實(shí)現(xiàn)基于上止點(diǎn)和曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)的多缸缸壓信號(hào)同步等曲柄轉(zhuǎn)角采樣。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件以LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，對(duì)上止點(diǎn)、曲柄轉(zhuǎn)角及缸壓信號(hào)進(jìn)行采集、分析和處理。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)示意見圖2，主要分為以下2部分：

注：CS.1～CS.6為缸壓傳感器；TDC為上止點(diǎn)傳感器；CA為曲軸轉(zhuǎn)角傳感器
圖1 缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意

1) 運(yùn)行在NI sbRIO-9606 FPGA中的下位機(jī)軟件，即通過LabVIEW FPGA模塊編程控制NI sbRIO-9606，實(shí)現(xiàn)多缸缸壓信號(hào)的等曲柄轉(zhuǎn)角采樣和轉(zhuǎn)速脈沖周期測(cè)量，脈沖周期數(shù)據(jù)寫入隊(duì)列1(FIFO 1)，缸壓數(shù)據(jù)寫入隊(duì)列2(FIFO 2)。

2) 上位機(jī)軟件，即實(shí)時(shí)讀取NI sbRIO-9606 FPGA FIFO中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)庫管理，實(shí)現(xiàn)氣缸壓力在線監(jiān)測(cè)。

圖2 缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.1FPGA程序設(shè)計(jì)

FPGA程序主要實(shí)現(xiàn)缸壓和轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集與傳輸，圖2中的“下位機(jī)軟件”框圖為FPGA程序流程圖。上止點(diǎn)和曲柄轉(zhuǎn)角脈沖周期主要用于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算及觸發(fā)缸壓信號(hào)采集。數(shù)據(jù)采集默認(rèn)長(zhǎng)度為10個(gè)工作循環(huán)，用戶可在設(shè)置模塊中對(duì)采集周期進(jìn)行更改。采集數(shù)據(jù)寫入FIFO，等待上位機(jī)確認(rèn)FPGA中斷之后進(jìn)入下一個(gè)采集循環(huán)。

2.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序主要由監(jiān)測(cè)模塊、歷史數(shù)據(jù)分析模塊和設(shè)置模塊等3部分組成，其流程見圖3。

1) 監(jiān)測(cè)模塊主要用來實(shí)時(shí)顯示柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括特征參數(shù)表格、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、P-V圖、P-φ?qǐng)D及放熱率曲線。

2) 歷史數(shù)據(jù)分析模塊主要用于單缸缸壓對(duì)比分析、多缸缸壓對(duì)比分析及轉(zhuǎn)速對(duì)比分析。

3) 設(shè)置模塊包括上止點(diǎn)標(biāo)定設(shè)置、氣缸壓力傳感器標(biāo)定設(shè)置及柴油機(jī)參數(shù)設(shè)置。

圖3 上位機(jī)程序流程

2.2.1監(jiān)測(cè)模塊

監(jiān)測(cè)模塊通過讀取FIFO獲取缸壓和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并在對(duì)脈沖時(shí)間間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變點(diǎn)去除、齒平均和周期平均等處理[8]之后進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，對(duì)缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理和特征參數(shù)提取并計(jì)算各缸的放熱率曲線，在軟件主界面上顯示特征參數(shù)表格、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、P-V圖、P-φ?qǐng)D及放熱率曲線，對(duì)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所有計(jì)算結(jié)果均可保存在數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)測(cè)模塊軟件界面見圖4。

2.2.1.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算

上位機(jī)接收到FIFO中的轉(zhuǎn)速脈沖周期序列之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變點(diǎn)剔除、齒平均和周期平均等處理[9]，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算式為

(1)

圖4 監(jiān)測(cè)模塊軟件界面

2.2.1.2 示功圖特征參數(shù)提取

① 四沖程柴油機(jī)平均指示壓力pmi的計(jì)算式為

(2)

式(2)中：α為曲柄轉(zhuǎn)角(排氣上止點(diǎn)α=0)，(°)；λ為曲柄半徑-連桿長(zhǎng)度比；p(α)為曲柄轉(zhuǎn)角α處對(duì)應(yīng)的氣缸壓力;Δ(α)為曲柄轉(zhuǎn)角α處對(duì)應(yīng)的氣缸體積變化量。

② 其他參數(shù)包括指示功Pi，爆發(fā)壓力pmax,爆發(fā)壓力相位θpmax,壓縮壓力pcom,膨脹壓力pexp和壓力升高值γ等，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[7]。

2.2.1.3 放熱率計(jì)算

放熱率的計(jì)算式為

ΔQf=ΔU+ΔW+ΔQw

(3)

式(3)中：ΔQf為單位曲柄轉(zhuǎn)角內(nèi)燃料燃燒放出的熱量；ΔU為單位曲柄轉(zhuǎn)角內(nèi)缸內(nèi)氣體內(nèi)能增量；ΔW為單位曲柄轉(zhuǎn)角內(nèi)缸內(nèi)氣體所作的功；ΔQw為單位曲柄轉(zhuǎn)角內(nèi)缸內(nèi)氣體與缸壁的換熱量。

2.2.2歷史數(shù)據(jù)分析模塊

歷史數(shù)據(jù)分析模塊通過數(shù)據(jù)查詢回放數(shù)據(jù)庫保存的歷史數(shù)據(jù)，并以表格、直方圖等不同方式進(jìn)行顯示，同時(shí)進(jìn)行歷史趨勢(shì)分析。例如：“單缸缸壓對(duì)比分析”回放某缸的示功圖歷史數(shù)據(jù)，用于判斷某缸的工作狀態(tài)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)；“多缸缸壓對(duì)比分析”回放同一時(shí)刻不同缸的歷史數(shù)據(jù)，用于監(jiān)測(cè)缸與缸之間的差別；“轉(zhuǎn)速對(duì)比分析”回放柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的歷史數(shù)據(jù)，用于監(jiān)測(cè)柴油機(jī)各缸不平衡性隨時(shí)間歷程的變化。圖5為單缸缸壓對(duì)比分析模塊軟件界面。

2.2.3設(shè)置模塊

為提高系統(tǒng)的通用性，避免因上止點(diǎn)偏移而帶來誤差，設(shè)置模塊可編輯、增添和修改不同柴油機(jī)的基本參數(shù)(如發(fā)火順序、連桿長(zhǎng)度等)，通過分析純壓縮線標(biāo)定上止點(diǎn)的偏移量，標(biāo)定結(jié)果隨柴油機(jī)參數(shù)一并管理。為保證測(cè)試精度，應(yīng)定期標(biāo)定氣缸壓力傳感器的靈敏度，最好每6個(gè)月標(biāo)定一次。氣缸壓力傳感器標(biāo)定是通過對(duì)比穩(wěn)定工況下同時(shí)使用標(biāo)定傳感器和被標(biāo)定傳感器的測(cè)量結(jié)果實(shí)現(xiàn)的。

圖5 單缸缸壓對(duì)比分析模塊軟件界面

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

為考核缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能和可靠性，以MAN B&W 6L16/24型6缸船用中速柴油機(jī)為例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該柴油機(jī)的基本參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，額定功率540 kW，缸徑160 mm，沖程240 mm，發(fā)火順序1—2—4—6—5—3，最高爆發(fā)壓力170 bar，機(jī)械效率0.86。由于原機(jī)沒有配置示功閥通道，因此在該機(jī)的4#缸、5#缸和6#缸上加工3個(gè)缸壓測(cè)試通道。保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，分別在0%，25%，50%，75%，90%及100%負(fù)荷下進(jìn)行試驗(yàn)。表1為各缸負(fù)荷特性參數(shù)；圖6為各工況點(diǎn)下各缸的缸壓曲線，其中橫坐標(biāo)0對(duì)應(yīng)于4#缸排氣上止點(diǎn)；表2為測(cè)得的柴油機(jī)負(fù)荷特性參數(shù)。

表1 各缸負(fù)荷特性參數(shù)

a) 0%負(fù)荷缸壓曲線

b) 25%負(fù)荷缸壓曲線

c) 50%負(fù)荷缸壓曲線

d) 75%負(fù)荷缸壓曲線

e) 90%負(fù)荷缸壓曲線

f) 100%負(fù)荷缸壓曲線圖6 各工況點(diǎn)缸壓曲線

表2 柴油機(jī)負(fù)荷特性參數(shù)

4 結(jié)束語

1) 通過研究柴油機(jī)缸壓在線監(jiān)測(cè)方法，采用FPGA技術(shù)進(jìn)行缸壓在線監(jiān)測(cè)，開發(fā)的缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性好。

2) 在MAN B&W 6L16/24型柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行系統(tǒng)功能性驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)可準(zhǔn)確在線監(jiān)測(cè)柴油機(jī)各缸壓力，并能結(jié)合柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算各缸的主要性能參數(shù)，監(jiān)測(cè)柴油機(jī)各缸的工作狀態(tài)。

3) 該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)管理，通過歷史數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行趨勢(shì)分析，可為柴油機(jī)故障診斷及健康狀態(tài)預(yù)測(cè)提供有利數(shù)據(jù)。

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[2] MAN Diesel & Turbo SE.PMI Auto-Tuning Operation User’s Reference Guide[Z].Munich:MAN Diesel & Turbo SE,2004.

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DevelopmentofOnlineCylinderPressureMonitoringSystemforMarineDieselEngines

YUYonghua1,2，ZHANGLihao1，YANGJianguo1,2

(1.School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;2.Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology Granted by Ministry of Communications,Wuhan 430063,China)

An online cylinder pressure monitoring system for marine diesel engines is designed and developed.The system features an FPGA-based data acquisition hardware,NI LabVIEW based host computer software,and the Ethernet connection between the data acquisition hardware and the host computer.The system collects data online,covering the top dead center position,the crankshaft angle,and the gas pressure of all the cylinders,and calculates the mean indicated pressure,the compression pressure,the explosion pressure against uniformly separated crankshaft angles and further,the timing of combustion,the expansion pressure and the heat release rate with the top dead center position calibrated and the multi-cycle data measurements averaged.The test results for each cylinder can be individually displayed in a diagram.The parameters of all the cylinders can also be presented together in one bar chart for comparison.A database is designed to manage the data for subsequent historical trend analysis.Validation tests are conducted with a laboratorial diesel engine and it is proved that the developed system can achieve real-time monitoring of diesel engine operation condition satisfactorily and meets the design objective.

ship engineering; marine diesel engine; cylinder pressure; online monitoring

U664.121

A

2017-01-16

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAG16B00);船用400 mm缸徑低速雙燃料機(jī)原理樣機(jī)研制(工信部聯(lián)裝函〔2017〕21號(hào))

余永華(1975—)，男，江西都昌人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，從事柴油機(jī)監(jiān)測(cè)診斷與電子控制技術(shù)研究。E-mail:yyhua@whut.edu.cn

1000-4653(2017)02-0014-05