◎ 符溫馨 中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司湛江分公司

1.國(guó)內(nèi)外雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

由于天然氣燃燒性能好、污染低的特性，被IMO和MEPC等國(guó)際組織及國(guó)內(nèi)相關(guān)部門(mén)推崇為新型能源進(jìn)行開(kāi)發(fā)使用。因此，采用新能源作為主燃料的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)也在加速研究和推廣使用。

1.1 國(guó)外

國(guó)際社會(huì)越來(lái)越關(guān)注船用柴油機(jī)污染物排放造成的危害。上世紀(jì)末，國(guó)際海事組織就加強(qiáng)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的管控，制定了減排的時(shí)間表和排放值。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家同時(shí)加大了雙燃料主機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，全球船舶主機(jī)主要制造商芬蘭的瓦錫蘭、德國(guó)的曼牌等已經(jīng)研發(fā)出雙燃料主機(jī)并推廣至全球使用。

1.2 國(guó)內(nèi)

我國(guó)的河運(yùn)資源豐富，內(nèi)河船舶約20萬(wàn)艘，而我國(guó)船用柴油機(jī)技術(shù)較為落后，其廢氣排放已經(jīng)污染長(zhǎng)江等河流流域的空氣環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，內(nèi)河航運(yùn)中各種船舶每年排放NOx、SOx和顆粒物約為100萬(wàn)噸，對(duì)我國(guó)氣候環(huán)境造成很大的危害。據(jù)調(diào)查，目前已經(jīng)造成長(zhǎng)江沿線(xiàn)城市的大氣環(huán)境指標(biāo)接近或低于國(guó)家規(guī)定的大氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，甚至更低。為改善環(huán)境，我國(guó)也加大力度開(kāi)發(fā)和推廣使用雙燃料主機(jī)。海上石油平臺(tái)和FPSO船舶十年前已使用LNG的發(fā)電機(jī)，嚴(yán)格控制廢氣的排放。如中海油2010年投產(chǎn)的FPSO船舶“海洋石油116”號(hào)就選用了3臺(tái)SOLAR燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組；2019年10月投產(chǎn)的東方13-2CEPB 平臺(tái)采用哈爾濱廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司生產(chǎn)的3臺(tái)雙燃料SGT600 燃?xì)廨啺l(fā)電。

1.3 未來(lái)發(fā)展

隨著人類(lèi)科技的發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境污染的認(rèn)知和重視，聯(lián)合國(guó)氣候組織、IMO和MEPC等國(guó)際組織已經(jīng)開(kāi)始實(shí)行更嚴(yán)格的排放要求。MEPC組織在2014年4月召開(kāi)的66次會(huì)議上規(guī)定：NECA地區(qū)，2016年1月1日以后鋪龍骨的船舶，必須執(zhí)行該組織關(guān)于氮氧化物排放的規(guī)定。雙燃料主機(jī)的作為推進(jìn)動(dòng)力是勢(shì)在必行的。對(duì)雙燃料主機(jī)技術(shù)特別是控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用有著重要意義。

2.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

2.1 基本功能

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是機(jī)組實(shí)現(xiàn)低排放、高效率和高經(jīng)濟(jì)效益的重要組件。其根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣或燃油的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到低排放、高效率的設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)圖1。

2.2 組成

雙燃料主機(jī)控制系統(tǒng)通常包括硬件和軟件兩部分，而硬件即是由控制器硬件電路、傳感器和執(zhí)行器組成。本文重點(diǎn)介紹其硬件電路。

2.3 控制器硬件電路

2.3.1 硬件電路的作用

硬件電路是根據(jù)軟件所設(shè)定的程序完成對(duì)機(jī)組的控制及運(yùn)行監(jiān)控等功能，如：機(jī)組啟停控制、狀態(tài)監(jiān)控，參數(shù)調(diào)節(jié)、安全警報(bào)以及人機(jī)界面的實(shí)時(shí)對(duì)話(huà)等。

2.3.2 控制器硬件電路的組成

控制器硬件電路包括中央處理單元ECU、電源模塊、通信模塊及信號(hào)采集模塊等。

2.3.3 硬件電路各模塊的功能

2.3.3.1 中央處理單元ECU

圖1 勞斯萊斯伯根B 型機(jī)組控制方框圖

①燃?xì)鈬娚涓呔瓤刂?，?jié)約燃料；

②集成點(diǎn)火提前角調(diào)整功能，確保啟動(dòng)、運(yùn)行處于最佳狀態(tài)；

③具備噴氣控制修正、燃油噴射模擬等功能；使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)，減少?gòu)U氣的排放；

④控制燃料的切換，提高發(fā)動(dòng)機(jī)組工作的穩(wěn)定性及可靠性。

2.3.3.2 電源電路模塊

電源電路模塊是ECU的心臟，它提供 ECU 微處理器、傳感器及執(zhí)行器的工作電源。

電源模塊有兩套供電系統(tǒng)即UPS系統(tǒng)及船舶電網(wǎng)整流后的供電系統(tǒng)。電源模塊必須穩(wěn)定性、可靠。其應(yīng)具備廣譜的、較高的浪涌電壓幅值等電氣特征。

2.3.3.3 通訊電路模塊

通信模塊是串行ECU及執(zhí)行器之間的中間環(huán)節(jié)，其工作性能的穩(wěn)定性和可靠性直接影響整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。通常采用RS485總線(xiàn)方式進(jìn)行通信。在執(zhí)行端，由于CAN總線(xiàn)具有多組方式串行通信、高速率、高抗電磁干擾性、可靠的錯(cuò)誤處理等特點(diǎn)。很多產(chǎn)品都采用這種方式，如勞斯萊斯、瓦錫蘭等雙燃料機(jī)組的控制系統(tǒng)。

2.3.3.4 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集是指將溫度、壓力、振動(dòng)等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存、處理、顯示以及實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視和控制的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集與處理越及時(shí)、精確，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益就越大。

2.4 傳感器

傳感器是一種檢測(cè)裝置，其作用是將檢測(cè)的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)和控制等要求。

2.4.1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要傳感器

包括：起超速保護(hù)的轉(zhuǎn)速傳感器、起高溫保護(hù)的溫度傳感器；低油壓保護(hù)的壓力傳感器等；起熄火保護(hù)、點(diǎn)火失敗保護(hù)的光感應(yīng)監(jiān)測(cè)傳感器；給人機(jī)界面HMI傳遞機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的轉(zhuǎn)速、壓力傳感器等。

2.4.2 傳感器電路原理

2.4.2.1 曲軸轉(zhuǎn)速傳感器電路

曲軸轉(zhuǎn)速傳感器安裝于飛輪殼上，通過(guò)測(cè)量機(jī)組的曲軸轉(zhuǎn)速來(lái)測(cè)量機(jī)組的轉(zhuǎn)速。傳感器安裝的方向與飛輪圓周切線(xiàn)垂直，注意其安裝間隙（小于1.0mm），要固定牢靠，防止其損壞，以免影響使用精度及性能。

轉(zhuǎn)速傳感器通常采用電磁式的，其輸出信號(hào)的幅值和頻率與轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性關(guān)系，過(guò)高的電壓會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成傷害。

2.4.2.2 溫度傳感器處理電路

溫度是機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)指示的重要指標(biāo)。溫度傳感器用于主機(jī)的冷卻液、滑油及排氣溫度的監(jiān)測(cè)。溫度傳感器通常采用熱敏電阻，其將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換成所需要的物理量。如STMicroelectronics公司生產(chǎn)的MC33079D運(yùn)算放大器，具有一定的開(kāi)環(huán)增益，整體性能優(yōu)異，使用比較廣泛。

2.5 執(zhí)行器

執(zhí)行器是過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)中，以調(diào)節(jié)儀表或其他控制裝置信號(hào)為輸入信號(hào)，按一定調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)被控對(duì)象輸入量的裝置。

2.5.1 作用

在過(guò)程控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器的指令信號(hào)，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)位移信號(hào)，去操縱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變被控對(duì)象的進(jìn)、出能量或物料，以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的自動(dòng)控制。

2.5.2 組成

執(zhí)行器通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和附件三部分組成。

2.5.3 分類(lèi)

執(zhí)行器按工作能源不同可分為電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)三大類(lèi)。

（1）電動(dòng)執(zhí)行器是以電能為動(dòng)力的，特點(diǎn)是獲取能源方便，動(dòng)作快，可遠(yuǎn)距離操控，便于與數(shù)字裝置配合使用，應(yīng)用廣泛。

（2）氣動(dòng)執(zhí)行器是以壓縮空氣為動(dòng)力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠穩(wěn)定，輸出力矩較大，維護(hù)方便，具有防火防爆的特點(diǎn)。多用于石油化工行業(yè)及其他易燃易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)所。但傳輸距離有限，通常150米內(nèi)的距離使用效果較好。

（3）液動(dòng)執(zhí)行器是以液壓動(dòng)力為動(dòng)力，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用比較少。

2.5.4 工作原理

各種執(zhí)行器工作原理基本一致，下面介紹電動(dòng)執(zhí)行器的工作原理。

電動(dòng)執(zhí)行器有直行程或角行程兩種，其原理：通過(guò)接收調(diào)節(jié)器或其他儀表送來(lái)的0-10,4～20mA或220V的電信號(hào)，經(jīng)執(zhí)行器后變成位移推力或轉(zhuǎn)角力矩，以操作開(kāi)關(guān)、閥門(mén)等完成自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)。

3.控制系統(tǒng)的軟件

控制軟件是指對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送命令的軟件系統(tǒng)。

相比于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，其軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)相對(duì)成熟很多。其編程語(yǔ)言通常采用 SFC（sequential function chart）和CFC（continuous function chart）。操作頁(yè)面集成在 WinCC 操作員站，采用圖形顯示功能塊語(yǔ)言編程。這里不做詳細(xì)講解。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接影響船舶的安全性能和經(jīng)濟(jì)效率。從國(guó)內(nèi)相關(guān)部門(mén)到多個(gè)國(guó)際組織都在致力改善發(fā)動(dòng)機(jī)的能源利用及尾氣排放問(wèn)題，相信不久的將來(lái)，雙燃料主機(jī)的性能隨著其控制系統(tǒng)性能的提高會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。