船用柴油機缸壓在線監測系統開發

余永華，張立浩, 楊建國

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；2.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063)

船用柴油機缸壓在線監測系統開發

余永華1，2，張立浩1, 楊建國1，2

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；2.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063)

研制由基于現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的數據采集硬件和以NI LabVIEW為開發平臺的上位機軟件組成的船用柴油機缸壓在線監測系統，數據采集硬件通過以太網與上位機相連。該系統在線采集上止點、曲柄轉角和各缸氣體壓力等信號，通過等曲柄轉角化、上止點標定和多周期平均等處理，計算平均指示壓力、壓縮壓力、爆發壓力、燃燒始點及膨脹壓力等氣缸壓力特征參數和放熱率；氣缸壓力特征參數既可用圖表形式單缸顯示，也可用柱狀圖形式多缸對比顯示；測試結果通過數據庫進行管理，以便于后續進行歷史趨勢分析。經過柴油機試驗，驗證該系統滿足設計要求，可實現對柴油機運行狀況的實時監測。

船舶工程；船用柴油機；缸壓；在線監測

柴油機缸內的壓力能反映柴油機內部的熱力過程，通過對其進行實時測量和分析，可研究發動機缸內的燃燒過程、氣體與缸壁的傳熱過程和發動機各缸的工作狀態，對改善發動機的工作性能及進行發動機最優噴油時刻控制、排放控制、狀態監測和故障診斷均具有重要作用。

國外一些柴油機廠商和相關科研機構已開發出缸壓測試系統，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、MAN Diesel & Turbo公司的PMI-Online系統[2]和ABB公司的Cylmate System等。在這些系統中：ABB公司的Cylmate System采用其專有的缸壓傳感器并基于Profibus-DP和SyncBus總線技術采集傳輸數據，傳感器使用壽命長，系統連接方便，但只適用于低速機；其他系統主要采用壓電式缸壓傳感器和集中數據采集技術，能廣泛適用于中低速機。

國內開發的應用于船用柴油機的缸壓監測系統較少。對此，在前期離線缸壓測試系統[3-4]的基礎上研制一套船用柴油機缸壓在線監測系統。該系統等曲柄轉角在線采集上止點、曲柄轉角和各缸氣體壓力等信號，通過上止點標定、多周期平均等處理，計算平均指示壓力、壓縮壓力、爆發壓力、燃燒始點、膨脹壓力和放熱率等，為船用中低速柴油機狀態監測提供有效的技術手段。[5-7]

1 系統硬件結構

缸壓在線監測系統通過對氣缸壓力、上止點和曲柄轉角信號進行測量與分析，實現對柴油機動力性能的監測，其硬件結構示意見圖1，包含上止點和轉速傳感器、缸壓傳感器、24 V DC電源模塊、調理電路、采集模塊及上位機。在柴油機飛輪端或凸輪軸端安裝磁電式傳感器,獲取曲柄轉角信號和上止點信號，調理成TTL信號后觸發多缸壓力信號等曲柄轉角采集，通過以太網傳輸至上位機進行數據分析和處理、缸壓特征參數計算及數據庫管理，實現對柴油機各缸運行狀態的實時監測。上止點和曲柄轉角傳感器既可選用磁電式轉速傳感器，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。上止點和曲柄轉角信號的調理參考文獻[3]。缸壓在線監測系統的關鍵技術是對各缸缸壓信號進行同步等曲柄轉角采樣，系統的數據采集模塊由NI sbRIO-9606和9683組成，具有可重配置Xilinx Spartan-6 LX45 現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)，可自定義定時、內處理和控制；提供16路同步模擬輸入通道和32路LVTTL數字I/O通道；內置100 Mbit/s以太網端口，以實現基于上止點和曲柄轉角信號的多缸缸壓信號同步等曲柄轉角采樣。

2 系統軟件設計

系統軟件以LabVIEW作為開發平臺，對上止點、曲柄轉角及缸壓信號進行采集、分析和處理。系統的軟件結構示意見圖2，主要分為以下2部分：

注：CS.1～CS.6為缸壓傳感器；TDC為上止點傳感器；CA為曲軸轉角傳感器
圖1 缸壓在線監測系統硬件結構示意

1) 運行在NI sbRIO-9606 FPGA中的下位機軟件，即通過LabVIEW FPGA模塊編程控制NI sbRIO-9606，實現多缸缸壓信號的等曲柄轉角采樣和轉速脈沖周期測量，脈沖周期數據寫入隊列1(FIFO 1)，缸壓數據寫入隊列2(FIFO 2)。

2) 上位機軟件，即實時讀取NI sbRIO-9606 FPGA FIFO中的數據，進行數據分析處理和數據庫管理，實現氣缸壓力在線監測。

圖2 缸壓在線監測系統軟件結構

2.1FPGA程序設計

FPGA程序主要實現缸壓和轉速信號的采集與傳輸，圖2中的“下位機軟件”框圖為FPGA程序流程圖。上止點和曲柄轉角脈沖周期主要用于瞬時轉速計算及觸發缸壓信號采集。數據采集默認長度為10個工作循環，用戶可在設置模塊中對采集周期進行更改。采集數據寫入FIFO，等待上位機確認FPGA中斷之后進入下一個采集循環。

2.2上位機程序設計

上位機程序主要由監測模塊、歷史數據分析模塊和設置模塊等3部分組成，其流程見圖3。

1) 監測模塊主要用來實時顯示柴油機的運行狀態，包括特征參數表格、瞬時轉速、P-V圖、P-φ圖及放熱率曲線。

2) 歷史數據分析模塊主要用于單缸缸壓對比分析、多缸缸壓對比分析及轉速對比分析。

3) 設置模塊包括上止點標定設置、氣缸壓力傳感器標定設置及柴油機參數設置。

圖3 上位機程序流程

2.2.1監測模塊

監測模塊通過讀取FIFO獲取缸壓和轉速數據并在對脈沖時間間隔數據進行畸變點去除、齒平均和周期平均等處理[8]之后進行轉速計算，對缸壓數據進行平滑處理和特征參數提取并計算各缸的放熱率曲線，在軟件主界面上顯示特征參數表格、瞬時轉速、P-V圖、P-φ圖及放熱率曲線，對柴油機的運行狀態進行實時監測，所有計算結果均可保存在數據庫中。監測模塊軟件界面見圖4。

2.2.1.1 轉速計算

上位機接收到FIFO中的轉速脈沖周期序列之后，對數據進行畸變點剔除、齒平均和周期平均等處理[9]，瞬時轉速的計算式為

(1)

圖4 監測模塊軟件界面

2.2.1.2 示功圖特征參數提取

① 四沖程柴油機平均指示壓力pmi的計算式為

(2)

式(2)中：α為曲柄轉角(排氣上止點α=0)，(°)；λ為曲柄半徑-連桿長度比；p(α)為曲柄轉角α處對應的氣缸壓力;Δ(α)為曲柄轉角α處對應的氣缸體積變化量。

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

2.2.1.3 放熱率計算

放熱率的計算式為

ΔQf=ΔU+ΔW+ΔQw

(3)

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

2.2.2歷史數據分析模塊

歷史數據分析模塊通過數據查詢回放數據庫保存的歷史數據，并以表格、直方圖等不同方式進行顯示，同時進行歷史趨勢分析。例如：“單缸缸壓對比分析”回放某缸的示功圖歷史數據，用于判斷某缸的工作狀態隨時間的變化趨勢；“多缸缸壓對比分析”回放同一時刻不同缸的歷史數據，用于監測缸與缸之間的差別；“轉速對比分析”回放柴油機瞬時轉速的歷史數據，用于監測柴油機各缸不平衡性隨時間歷程的變化。圖5為單缸缸壓對比分析模塊軟件界面。

2.2.3設置模塊

為提高系統的通用性，避免因上止點偏移而帶來誤差，設置模塊可編輯、增添和修改不同柴油機的基本參數(如發火順序、連桿長度等)，通過分析純壓縮線標定上止點的偏移量，標定結果隨柴油機參數一并管理。為保證測試精度，應定期標定氣缸壓力傳感器的靈敏度，最好每6個月標定一次。氣缸壓力傳感器標定是通過對比穩定工況下同時使用標定傳感器和被標定傳感器的測量結果實現的。

圖5 單缸缸壓對比分析模塊軟件界面

3 系統驗證

為考核缸壓在線監測系統的功能和可靠性，以MAN B&W 6L16/24型6缸船用中速柴油機為例進行試驗驗證。該柴油機的基本參數為：額定轉速1 000 r/min，額定功率540 kW，缸徑160 mm，沖程240 mm，發火順序1—2—4—6—5—3，最高爆發壓力170 bar，機械效率0.86。由于原機沒有配置示功閥通道，因此在該機的4#缸、5#缸和6#缸上加工3個缸壓測試通道。保持柴油機轉速為額定轉速，分別在0%，25%，50%，75%，90%及100%負荷下進行試驗。表1為各缸負荷特性參數；圖6為各工況點下各缸的缸壓曲線，其中橫坐標0對應于4#缸排氣上止點；表2為測得的柴油機負荷特性參數。

表1 各缸負荷特性參數

a) 0%負荷缸壓曲線

b) 25%負荷缸壓曲線

c) 50%負荷缸壓曲線

d) 75%負荷缸壓曲線

e) 90%負荷缸壓曲線

f) 100%負荷缸壓曲線圖6 各工況點缸壓曲線

表2 柴油機負荷特性參數

4 結束語

1) 通過研究柴油機缸壓在線監測方法，采用FPGA技術進行缸壓在線監測，開發的缸壓在線監測系統設計簡潔、結構緊湊，穩定性和實時性好。

2) 在MAN B&W 6L16/24型柴油機試驗臺架上進行系統功能性驗證，結果表明該系統可準確在線監測柴油機各缸壓力，并能結合柴油機結構參數計算各缸的主要性能參數，監測柴油機各缸的工作狀態。

3) 該系統通過數據庫對測試結果進行存儲管理，通過歷史數據對比進行趨勢分析，可為柴油機故障診斷及健康狀態預測提供有利數據。

[1] ROLLER S,WIESMANN A.Combustion Control and Monitoring of Two-Stroke Engines[J].W?rtsil? Technical Journal，2011(2)：23-25.

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

[3] 曹國豪，余永華，楊建國.基于單片機系統的船用柴油機示功圖測量系統研制[J].船海工程，2010，39(1)：84-87.

[4] 余永華，胡鬧，楊欣.船舶柴油機示功圖便攜式測試控制器： CN201120154473.9[P].2012-01-11.

[5] SCHTEN K，RIPLEY G，PUNATER A，et al.Design of an Automotive Grade Controller for in-Cylinder Pressure Based Engine Control Development[J].Sae Paper，2007(1):774.

[6] 楊福源，楊雨平，歐陽明高，等.柴油機基于缸壓的閉環反饋控制技術[J].內燃機學報，2012(2)：172-178.

[7] TANG Jianzhong，WANG Qingfeng.Online Fault Diagnosis and Prevention Expert System for Dredgers[J].Expert Systems with Application，2008，34(1)：511-521.

[8] 余永華，陳杰，楊建國.船舶柴油機動力平衡性監測系統開發[J].中國航海，2013，36(4)：47-51.

[9] 余永華，楊建國.船舶柴油機性能監測分析儀的研制[J].船舶工程，2009，31(1)：8-11.

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

國家科技支撐計劃(2015BAG16B00);船用400 mm缸徑低速雙燃料機原理樣機研制(工信部聯裝函〔2017〕21號)

余永華(1975—)，男，江西都昌人，教授，博士生導師，博士，從事柴油機監測診斷與電子控制技術研究。E-mail:yyhua@whut.edu.cn

1000-4653(2017)02-0014-05