Лекция 11. Микропроцессорная система управления двигателей серии ме фирмы man b&w

С начала 2000-х годов на морских судах в качестве главных двигателей начали устанавливаться малооборотные дизели с электронным управлением (англ. – Electronically Controlled Engine) серии МЕ, разработанные фирмой MAN B&W. В классической конструкции дизеля процессы подачи топлива в цилиндр, открытия выпускного клапана, подачи пускового воздуха, смазки цилиндра, протекающие в функции угла поворота коленчатого вала (ПКВ), реализуются с помощью распределительного вала. В двигателях с электронным управлением распределительный вал отсутствует, а его функции возложены на микропроцессорную систему управления, входным сигналом которой является сигнал от электрического датчика положения коленчатого вала дизеля. В таком двигателе микропроцессорная система управления на основе информации об угловом положении коленчатого вала и с учетом заданного двигателю режима работы выполняет следующее:

• формирует управляющее воздействие в ТНВД, задающее момент начала подачи топлива в цилиндры, цикловую подачу топлива и закон подачи топлива в функции угла ПКВ;

• при пуске дизеля формирует управляющее воздействие, задающее порядок открытия пусковых клапанов цилиндров, моменты и длительность их открытого состояния, заменяя тем самым распределитель пускового воздуха в обычном дизеле;

• формирует управляющее воздействие на открытие и закрытие выпускного клапана в функции угла ПКВ;

• формирует управляющее воздействие в лубрикаторы цилиндровой смазки (так называемый "альфа-лубрикатор").

Система управления обеспечивает также управление вспомогательным оборудованием – дополнительными воздухонагнетателями и насосами, обеспечивающими гидравлическую часть системы управления дизеля рабочей средой (маслом) под давлением 200 бар.

Общая схема системы управления двигателя типаМЕ приведена на рис. 1.

Рис. 1. Система управления двигателя МЕ

В центральном посту управления СЭУ расположен главный пост управления двигателем (Main Operation Panel – MOP), выполненный на основе компьютера (его структура идентична структуре персонального компьютера РС) с монитором (с сенсорным экраном) и манипулятором типа "трэкбол". Отсюда инженер – механик может подавать команды управления на двигатель, регулировать его параметры, задавать режим работы, контролировать состояние системы управления.

В случае неисправности блока МОР управление двигателем может осуществляться с резервного поста управления (Back-up MOP), также расположенного в ЦПУ и выполненного на основе стандартного персонального компьютера.

Интерфейсные блоки EICU (Engine Interface Control Unit) обеспечивают связь данной системы управления с другими системами автоматики – с системой АПС, с системой дистанционного автоматизированного управления (ДАУ) двигателем с ходового мостика (Bridge Control System) и др. Для обеспечения надежности используются два блока EICU, работающих в параллель.

Команды на управление двигателем с главного поста управления МОР поступают в блок управления двигателем ECU (Engine Control Unit). Для обеспечения надежности используются два таких блока (ECU А и ECU В), работающих в параллель, один из которых находится в горячем резерве. В случае неисправности одного из них второй, без прерывания процесса, берет управление на себя. Блок управления ECU решает следующие задачи:

• выполняет функции регулятора частоты вращения дизеля, пуск и остановку двигателя, задает временные характеристики: управления топливоподачей в цилиндры, управления выпускными клапанами, управления пусковыми клапанами и др.;

• через блоки ACU (Auxiliary Control Unit) осуществляет управление вспомогательным оборудованием;

• обеспечивает интерфейс (связь) с системой защиты двигателя и системой контроля его параметров;

• обеспечивает изменение режима работы двигателя и программ управления.

Управление вспомогательным оборудованием осуществляется тремя блоками ACU (рис. 1), при этом неисправность одного из них не нарушает работу этой части системы управления. Блоки ACU обеспечивают пуск, управление и остановку:

• двух вспомогательных воздухонагнетателей;

• двух насосов с электрическим приводом и трех насосов с приводом от двигателя, входящих в состав гидравлической системы питания (Hydraulic Power Supply Unit – HPS).

Каждый цилиндр имеет собственный блок управления цилиндром (Cylinder Control Unit – CCU). В соответствии с командами, поступающими от блока ECU, он управляет в функции угла ПКВ впрыском топлива в цилиндр, подачей масла через лубрикаторы цилиндровой смазки, открытием выпускного клапана. С этой целью блоком CCU формируются электрические сигналы управления, поступающие на электрические клапаны. Они, в свою очередь, с помощью механизмов золотникового типа управляют подачей масла под давлением 200 бар в гидравлические усилители поршневого типа. Эти усилители собственно и приводят в действие ТНВД, лубрикаторы и открывают выпускной клапан. Масло под давлением поступает от системы питания гидравлики HPS. Конструктивно гидравлическая часть системы управления топливоподачей и выпускным клапаном объединена (см. рис. 1) в блок гидравлики цилиндра (Hydraulic Cylinder Unit – HCU).

Сигнал управления пусковым клапаном поступает от блока CCU на электромагнитный клапан, который установлен перед пусковым клапаном цилиндра и непосредственно, без использования гидравлики, пропускает к нему пусковой воздух.

Блоки CCU не дублированы, поэтому отказ блока вызывает выключение соответствующего цилиндра из работы. Вместе с тем, замена отказавшего блока может быть выполнена без остановки двигателя, с последующим автоматическим включением цилиндра в работу.

Кроме основных постов управления двигателя, на ходовом мостике и в ЦПУ (МОР), предусмотрен резервный, местный пост управления (Local Operating Panel – LOP), который может быть смонтирован прямо на двигателе или в другом месте машинного отделения. С этого поста обеспечиваются все основные функции управления двигателем – пуск, управление частотой вращения, остановка, реверс, контроль рабочих параметров двигателя.

Сигналы об угловом положении коленчатого вала дизеля поступают от двух тахо-систем - А и В (рис. 1, CPS), одна находится в горячем резерве, и подаются к блокам управления двигателем ECU и к блокам управления цилиндрами CCU. Каждая из тахо-систем содержит энкодер и использует сигнал с общего для них датчика маркерного сигнала.

Все блоки системы управления двигателя являются однотипными микропроцессорными блоками, построенными на основе многоцелевого контроллера (MPC - Multi Purpose Controller) и одинаково конструктивно оформлены. Они объединены в локальную вычислительную сеть, которая для надежности продублирована (см. рис. 1).

Устройство блока управления впрыском топлива в цилиндр (Electronic Fuel Injection Unit – ELFI) показано на рис. 2. С поступлением от блока CCU сигнала на впрыск топлива, быстродействующий электромагнитный клапан пропорционального действия (ELFI-клапан) открывает перепуск масла от гидравлического аккумулятора к гидравлическому усилителю. Масло под давлением 200 бар перемещает вверх поршень гидроусилителя, который, в свою очередь, толкает плунжер ТНВД, вытесняющий цикловую порцию топлива через форсунки в цилиндр. После снятия электрического сигнала с ELFI-клапана, масло сливается из подпоршневой полости гидроусилителя. При этом поршень гидроусилителя, а вместе с ним и плунжер перемещаются вниз, обеспечивая поступление в ТНВД очередной порции топлива из топливной системы дизеля. Гидравлический аккумулятор обеспечивает постоянство давления масла в процессе впрыска топлива. Масло в него подается от системы питания гидравлики HPS.

а) б)

Рис. 2. Блок управления впрыском топлива в цилиндр:

а – упрощенное изображение конструкции;

б – к пояснению принципа действия

Электромагнитные клапаны, управляющие подачей масла в гидроусилители лубрикаторов и выпускным клапаном (Electronic Valve exhaust Activator, ELVA – клапан), являются простыми двухпозиционными (on/off) быстродействующими клапанами, управляемыми дискретными электрическими сигналами. Имеется модификация системы управления, в которой эти клапаны объединены в общий блок FIVA (Fuel Inject and Valve Activator Unit)и управляются одним электрическим сигналом.

Использование электромагнитного ELFI- клапана пропорционального действия позволяет задавать не только время начала подачи топлива и его длительность, но и темп подачи топлива. Тем самым, можно формировать требуемый закон топливоподачи (характеристику впрыска топлива) в функции угла ПКВ. Для оптимизации режима работы двигателя в программном обеспечении его системы управления имеется две программы управления, реализующих различные законы топливоподачи – с нарастающим давлением впрыска (основной, экономичный режим) и с двойным впрыском (Double Injection), для снижения выбросов окислов азота. Переход с одной характеристики впрыска на другую может производиться во время работы двигателя путем вызова соответствующей программы и практически мгновенно – при переходе к очередному циклу работы цилиндра.

Система управления контролирует наличие и параметры сигналов, поступающих от тахо-систем А и В, состояние ELFI- и ELVA-клапанов (с помощью датчиков их положения), электрических усилителей, управляющих этими клапанами. При нарушениях в их работе подача топлива в соответствующий цилиндр и управление его выпускным клапаном прекращаются до устранения неисправности. Если одна из тахо-систем неисправна, осуществляется автоматический переход на вторую тахо-систему. Если неисправны обе – двигатель останавливается. Во всех случаях на монитор поста управления выводится аварийное сообщение.

Для проверки сигналов от датчиков, управляющих сигналов, настройки и тестирования блоков, на дисплей MOP может быть выведен видеокадр Maintenance. Каждый из представленных на нем блоков может быть открыт для получения по нему информации о сигналах, тестирования и настройки.