NY6200雙燃料發動機電控系統的設計開發

李劍

摘 要：以NY6200柴油發動機為控制對象，設計了一種基于可編程控制器（PLC）、燃油控制器和燃氣控制器的雙燃料發動機電控系統。基于可編程控制器的擴展性好，能滿足雙燃料發動機多種控制功能的要求；基于燃油控制器和燃氣控制器的控制精度高，響應速度快，自動化程度高，能有效提高燃氣替代率。通過試驗及試驗數據表明，該設計達到了預期的目的，并且發動機運行正常。

關鍵詞：NY6200 雙燃料 電控系統

中圖分類號：TK402 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0048-02

隨著燃油價格的不斷上漲、石油資源日趨緊張以及環境污染日益嚴重，“以氣代油”的雙燃料發動機越來越受到人們的關注，雙燃料發動機能有效降低燃料費用及減少排放，而電控系統作為雙燃料發動機的重要組成部分，對燃氣替代率及燃燒效率具有重要的作用，因此，進一步開發提高燃氣替代率、可靠性、穩定性的電控系統成為雙燃料發動機的研究熱點。

為此，該公司對NY6200發動機進行雙燃料電控系統的開發，本文介紹了以可編程控制器（PLC）作為核心、以多點噴射進氣方式的雙燃料電控系統。

1 系統設計

NY6200雙燃料發動機的電控系統包括燃油電控系統、燃氣電控系統、監控系統3個部分。燃油電控系統負責發動機的轉速調節；燃氣電控系統負責控制燃氣的替代率，不參與發動機轉速控制；監控系統負責發動機各項參數采集、邏輯控制和安全保護；這3個系統通過通訊及硬線的方式相連，相互傳遞參數和指令信息。

2 系統原理

當發動機帶入負載且達到燃氣電控系統設定的工況時，監控系統將切換至雙燃料模式，在雙燃料模式運行時，發動機同時消耗柴油和天然氣，燃油電控系統控制柴油的供應量，柴油僅作為點火源和維持發動機的基本運轉，燃氣電控系統控制燃氣的供應量，燃氣作為發動機功率輸出的主要燃料消耗，兩種燃料在發動機氣缸內混合燃燒做功，其額定功率和最大扭矩與原柴油機相當。在發動機處于額定功率時燃氣替代率達到80.77%，燃氣替代率隨著功率的增大而逐漸增大。在燃氣完全斷絕的情況下，監控系統自動切換至純柴油模式繼續工作，維持發動機的額定轉速及功率輸出。由于發動機轉速是由燃油電控系統負責控制，所以，雙燃料發動機的動態特性與原柴油機的動態特性相同，能很好地滿足負載變化頻繁的工況要求。

3 燃油電控系統

3.1 硬件組成

NY6200雙燃料發動機的燃油電控系統主要由燃油控制器、燃油執行器、轉速傳感器、控制線束等組成。燃油控制器采用海茵茨曼DC6電子調速器，電子調速器具有油門相應迅速及精確控制油門等優點。

3.2 工作原理

燃油電控系統實現發動機的轉速調節功能，信號輸入由轉速傳感器來完成，執行輸出由燃油執行器來完成。燃油控制器采集發動機當前的轉速信號，與監控系統設定的轉速值進行比較，然后發送命令給燃油執行器，燃油執行器接收到調速信號后調節供油量進行轉速控制，并同時將油門位置信號反饋給燃油控制器，實現調速控制位置及轉速的雙閉環。

4 燃氣電控系統

4.1 硬件組成

NY6200雙燃料發動機燃氣電控系統主要由燃氣控制器、電噴閥、轉速傳感器、相位傳感器、控制線束等組成。燃氣控制器采用海茵茨曼MVC-03電噴控制器，電噴控制器具有精確控制最佳供氣量、各缸供氣均勻等優點。

4.2 工作原理

燃氣電控系統實現燃氣供應量，即燃氣替代率的調節功能，信號輸入由轉速傳感器和相位傳感器來完成，執行輸出由各缸電噴閥來完成。發動機在雙燃料模式下，燃氣控制器控制各缸電噴閥逐漸噴射燃氣，當兩種燃料在發動機氣缸內混合燃燒做功時，燃油控制器會自動控制燃油執行器減小油門，燃氣控制器根據預先設定的當前工況下期望的燃油供應量，逐漸使用燃氣替代燃油，使燃油油門位置逐漸逼近當前工況下的最小油門位置。燃油控制器的油門位置信號實時通信至燃氣控制器，PLC采集的增壓壓力、燃氣壓力、各缸排溫、水溫等信號也實時通信至燃氣控制器，燃氣控制器通過以上信號計算出燃氣在當前工況下的最大供應量，從而對燃氣的供應量進行限制，通過限制燃氣的供應量避免發動機出現運行不穩定、排溫過高及爆震的情況發生。

5 監控系統

5.1 硬件組成

NY6200監控系統由編程控制器（PLC）、人機界面、線束、相關傳感器、繼電器等組成。傳感器包括轉速傳感器、廢氣溫度熱電偶、油/水溫度傳感器、油/水壓力傳感器和氣體壓力傳感器。PLC采用和利時公司推出的適用于中、高性能控制領域的LK大型可編程控制器，LK可編程控制器融合了DCS和PLC的優點，具有較高的穩定性和可靠性。

5.2 工作原理

監控系統對發動機的運行參數包括發動機轉速、廢氣排溫、油/水溫度、油/水壓力、氣體壓力等參數進行采集，經由輸入回路將采集數據傳送至可編程控制器的模擬量輸入模塊、熱電偶輸入模塊，經可編程控制器數據處理來實現對發動機的相關報警、卸載請求及故障停機等保護動作，如對高溫水出口溫度高、滑油溫度高、排氣溫度高和末端滑油壓力低等進行報警，并相應做出卸載請求信號或自動停機保護。監控系統的輸入模塊接收開關、按鈕及繼電器的控制指令后，經可編程控制器數據處理及邏輯判斷，再由信號輸出模塊做出相應的指令，包括發動機的啟機、怠速/額速、停機、調速、雙燃料模式切換等控制。

監控系統通過人機界面對發動機運行參數、操作狀態及報警信息進行實時顯示和數據存儲；通過工業總線及硬線方式與上位系統進行遠程數據交換和遠程操作。

5.3 軟件設計

根據系統的各功能模塊的要求以及硬件結構進行PLC控制程序的編寫工作。系統程序則由主程序、發動機啟動子程序、雙燃料模式切換子程序、發動機停機子程序、發動機運行子程序、通信子程序、顯示子程序等組合而成。系統的主程序始終維持運行的準備狀態，實時監控發動機各測量參數，與設定值進行比較，實現調用各子程序的功能。同時監控各開關量的輸入，通過邏輯判斷，調用各子程序實現發動機的啟動、停機、雙燃料模式切換等功能。顯示子程序則是用于更好地進行人機交互，對發動機的重要參數、狀態進行顯示，對發動機進行控制。程序編寫完成之后經過模擬調試、修改再寫入PLC，最后進行在線調試。

在開發人機界面的組態軟件中，首先建立組態軟件與PLC之間的通信組態并確定I/O點的變量標簽名和標簽地址，并進行實時數據庫的建立和變量參數的組態，定義變量參數與I/O點數據的動態鏈接，然后根據雙燃料發動機的各項功能及相關要求繪制組態發動機監控界面、報警顯示界面、權限設置界面，并將其中對象與相應標簽建立鏈接，最后經過模擬調試修改后寫入觸摸屏，最后進行在線調試。

6 結語

NY6200雙燃料發動機電控系統設計合理，其穩定性已經在NY6200雙燃料發動機上進行了試驗測試，其試驗結果顯示該系統運行穩定可靠，燃氣替代率達到了期望值，其經濟性有了很大提高，各項指標均達到了設計要求。

參考文獻

[1] 王新，鄭志強，張進.190大功率柴油機的雙燃料改造[J].內燃機，2012（2）：17-19.

[2] 段長曉.LNG船主推進裝置的選擇和雙燃料發動機的經濟性研究[D].上海海事大學，2007.

[3] 王軍.GNG-柴油機雙燃料發動機研究[M].北京：中國科技博覽，2012.

[4] 張紅光，盛宏至，潘奎潤，等.車用柴油/天然氣雙燃料發動機的開發[J].農業機械學報，2003，34（5）：8-11.endprint