CN107907175B - 一种船用柴油机油耗对比计量方法与高精度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用柴油机高精度油耗测量系统和油耗对比计量方法。本发明的测量系统和对比计量方法具有不受载重、吃水、吃水差、洋流、风向、风力、船舶摇晃、震动、负荷波动、环境温度和船型等等因素影响的特点。适用于精确测量和比较实船柴油机的油耗(各中速和高速机)；还适用于陆地柴油机厂家和实验室台架，可精确评定柴油机单位油耗、累积油耗及燃油和润滑油添加剂的节油效果；还适用于质检部门对流量计产品、节能产品进行检验和标定。其计量精度达到了千分之0.2～0.5。

Description

一种船用柴油机油耗对比计量方法与高精度测量系统

技术领域

本发明涉及一种可将测量精度精确到千分之零点五的船舶柴油机基础油耗的测量方法及设备，尤其是一种船用柴油机高精度油耗对比计量方法与测量系统。

背景技术

节能减排目前已经是我们国家发展的重要战略任务，交通运输行业是用能大户，年消耗约6000多亿人民币的燃油，节能形势严峻。

为加快开展节能减排工作，交通部明确要求：集中精力做好交通运输能耗统计监测考核体系工作。经比较，中国专利文献CN104089668A公开了一种渔船燃油消耗率实船测量系统及方法，包括日用油柜、燃油测量桶、渔船发动机和集成控制单元；日用油柜、燃油测量桶通过三通阀与渔船发动机相连接供给燃油；通过流量计和电子密度计测量燃油测量桶供给渔船发动机的进油量和燃油密度；通过流量计测量渔船发动机的回油量；通过集成控制单元显示测量数据、计算渔船发动机燃油消耗率。该发明的目的是能有效解决现有渔船油耗实船测量系统存在的使用操作不便、受环境因素影响、测量准度、精度不高且使用效果不好等多种缺陷和不足的问题。中国专利文献CN100570313C公布了一种柴油机燃油消耗测量装置，该装置是在原有燃油系统中安装质量流量计，并将该质量流量计输出的电信号与原有柴油机输出功率电信号一起输送到燃油油耗仪中进行运算，输出柴油机的输出功率、燃油消耗量和燃油消耗率。该技术方案的特点是用此装置以期解决柴油机燃油消耗的测量、对柴油机的油耗状况进行实时监控的问题。中国专利文献CN204988394U公布了一种柴油发动机实际油耗检测系统。该系统由同步驱动电机、两个油耗计数装置和主控制板组成，两个油耗计数装置对称安装在同步驱动电机的左右两侧，每个油耗计数装置都是由外部磁块、一个旋转叶轮、叶轮外壳、磁力传动盘和霍尔传感器组成；所述的主控制板上设有油耗模块、外接设备接口、数据通讯接口和电机按钮，两个霍尔传感器将采集的旋转叶轮转动圈数都传送给油耗模块，外接设备接口与其他外接设备相连接。以此系统来检测以柴油发动机为动力的车、船的实际油耗。针对现有的专利油耗计量设备情况，中国专利ZL201020672384给出了“车或船用发动机油耗计量装置”的技术方案。该方案主要用于汽车公司燃油管理(防自盗)，原理是把现有成熟流量计安放在汽车油箱后，监测加油和用油之差，其精度为流量计精度。

但是，如何提高测量精度，使船舶柴油机基础油耗的测量精确到千分之零点五的范围内，目前还没有较为理想的计量方式和装置，尤其是在船用流量计和台架实验用油耗仪上缺少利用液位监控装置实现油耗精确计量的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种船用柴油机油耗对比计量方法及高精度测量装置。所述方法包括三种各自独立的计量步骤流程，执行每一个独立的步骤流程可解决方法中个性要求的精准计量和比较的问题；系统精确计量油耗，并及时准确地发送指令打开另一计量容器的出油阀，确保柴油机连续工作和油耗的精确计量。

为此，本发明解决所述问题的技术方案是：一种整备高精度船用柴油机油耗测量系统和精确油耗对比计量方法，包括的步骤，其中，所述方法包括：适于双机的实船在变工况下实际的油耗对比计量步骤、实验室单台或两台柴油机在相同负荷等条件下使用不同燃油的台架实验的油耗对比计量步骤、按用户要求或按有关质检部门要求对流量计产品、节能产品进行检验和标定的步骤，其中，所述适于双机的实船在变工况下实际的油耗对比计量步骤是：事先确定航行的目的地，实验时间随航行时间而定，或者在用户指定的机动航行、定速航行、牵引工况、停航工况等工况时段下：通过此测量系统一台柴油机用普通常用柴油，另一台通过系统使用节能柴油；以此实施所述两机在相同负荷、相同工况、相同时间内对比油耗的步骤；其中，在保证柴油机的柴油供给的情况下，所述高精度测量系统中普通柴油的过度容器与测量容器、节能柴油的过渡容器与测量容器分别交替工作；由此步骤，算出每一种柴油的总油耗＝计数器读数X 150升+最后容器中的使用量；

所述台架实验的油耗对比计量步骤是：在单台或两台柴油机的台架实验中，事先备好普通柴油和节能柴油，并设定好所述高精度测量系统中要使用燃油的罐数，两罐组分别进行，普通柴油和节能柴油使用相同罐数，达到使用罐数后，所述高精度测量系统分别记录两组时间，对各类燃油在相同负荷等试验条件下进行消耗时间精确对比，检测节油效果；或者确定相同的时间、相同的负荷，分别计量在两组实验中燃油的消耗量，进行精确对比。分别计算出单位油耗、累计油耗和节油率等

所述按用户要求或按有关质检部门要求对流量计产品、节能产品进行检验和标定的步骤是：按用户要求或按有关质检部门要求，制定计量开始与截止时间和运行工况，以所述高精度测量系统来准确计量油耗，计量期间和计量工况的总油耗为：总油耗＝计数器读数X 150升+最后容器中的使用量。

优选的，所述最后使用的容器中的油耗计量方法，其步骤包括：根据最后使用的容器中的油耗不是整罐的情况，以手动方式启动供油泵，将所述该容器加满，通过质检部门标定的标准流量计进行计量，其中的读数即为最后容器中的实际油耗，所述容器的罐计数器计数范围在0‐9999。最后计算出节油率。

并且，一种船用柴油机油耗对比计量方法的高精度测量系统，所述系统包括具有原燃油柜、电磁阀、电子加油机、加油泵、电磁液位传感器、温度传感器、浮子液位传感器、四个150升标准计量容器、可编程程序控制器、计数计时单元、液位监控系统；所述的浮子液位传感器、电磁液位传感器、分别设置在所述容器的进、出口端。

优选的，所述的一种船用柴油机高精度测量系统在油耗对比模式下所述四个标准容器都参与工作。

优选的，所述的一种船用柴油机高精度测量系统在油耗评定模式下所述两个标准容器参与工作。

优选的，所述标准容器液位监控系统由浮子室、浮子液位传感器、带有溢流口的溢流管、电磁液位传感器和控制箱组成；其中，当所述浮子液位传感器控制的液位略高于溢流口时，多出的油液从溢流口溢出，油液位置停留在由质检部门标定的位置；当容器油位下降到由质检部门标定的位置时，所述电磁液位传感器发出指令送到控制箱，执行关闭容器出口阀，开启备用容器出口阀，计数器记录一次，系统记录使用时间等操作。

相比现有技术，由本发明所具有的突出特点和显著进步而产生的积极效果是：本发明的油耗对比测量方法和精确计量系统适用于各种中高速船用柴油机，而且不受载重、吃水、吃水差、洋流、风向、风力、船舶摇晃、震动、负荷波动、环境温度和船型等等因素的影响，可长时间运行；还适用于陆地柴油机厂家和柴油机实验室台架，可精确评定柴油机单位油耗、累积油耗及燃油和润滑油添加剂的节油效果；还适用于质检部门对流量计产品、节能产品进行检验和标定，其计量精度达到了千分之0.2～0.5；由于误差是单方向的，均为负值，在两台柴油机同时做对比试验时，误差向同方向变化，导致最终对比实验误差小于单罐计量误差，极限情况可能接近于零。相较于用两个流量计作对比实验，误差为正负两个方向，误差值会大于单个流量计误差，极限情况会加倍的情况，具有很大的精度优势。

附图说明

图1是本发明涉及的方法其步骤流程示意图；

图2是本发明涉及的系统结构示意图；

图中：V1～V8、V0、V01、V02为电磁阀，P1为加油泵，G1、G2、G11、G22为液位传感器，G7为温度传感器，G3～G6为浮子液位传感器，Q1～Q4为标准计量容器，HT1、HT2为罐计数器；1‐原燃油柜，2‐电子加油机，Q1‐原燃油过渡容器，Q2‐原燃油测量容器，Q3‐试验燃油过渡容器，Q4‐试验燃油测量容器，31‐油耗对比模式开关，32‐油耗评定模式开关，3‐检测和控制单元33‐PLC计数计时单元，34‐USB接口。

具体实施方式

目前为开展船舶节能减排工作，必须为船舶柴油机基础油耗做精确评定，然后再做节能产品节能效果精确比较评定。交通部规定节能1％的产品为节能产品，可以在船上推广，所以必须要研发一种不受任何外界干扰，能检测出1％节油效果的装置。

由于实船工况复杂，影响油耗的因素过多，国内外还没有适合对实船柴油机燃油消耗进行精确对比计量的仪表，无法进行实船油耗的精确统计监测工作。船用燃油日常统计对精度要求不高，所以燃油计量全部采用流量计。流量计品种繁多，有涡街式、靶式、锥形、电磁、涡流、尾锥、孔板、椭圆齿轮和超声波等等。但是，由于都是间接检测，要受到各转换环节：在精度、量程(同一流量计，在低负荷，小流量时误差较大)、适用的流体、适用的环境、可靠性(实践证明，高精度流量计制作精密，在船舶摇晃时，由于杂质泛起，会严重卡阻，最终导致发动机停车，危害船舶航行安全，并经过验证，所以实船用于日常监控用油量的流量计计量精度都较低)等方面因素的影响。所以，不论何种流量计均无法为实船油耗进行精确计量。目前，公认的高精度质量流量计误差为±2.2～0.25％，实船应用中多大于±2％，特别是在柴油机低负荷小流量情况下误差更大，由于误差还有正负区别，两部流量计同时检测两部发动机时，误差可能大于4％，无法对仅1％节油量的节能柴油和普通柴油进行对比检验。而标注为千分之3精度的超声波流量计，由于船舶震动和供油管径小于25mm，不能使用。有关部门用现有仪器仪表参与船舶节能减排评定工作均告失败，不能准确量化节能效果。

在柴油机实验室台架上普遍应用的油耗仪，不能用于实船运行柴油机累计油耗计量，他的标准量杯加满油后必须稳定，如果因为船舶震动和摇晃而溢出，则严重影响计量精度，所以不能用于实船。而且是间接计量，计量单位质量燃油(一杯)使用的时间后在进行折算成克/千瓦小时。进口油耗仪标注精度为千分之1.2；国产油耗仪精度标注为千分之2；而在实际使用中发现油耗仪在实验条件相同时的每次读数不同，给实验人员带来困惑。

针对现状，本发明给出了恰为实际的技术方案，可为同业提供一个行之有效的行业参考标准。

参见附图1，该图系统地揭示了本发明涉及的油耗测量和比较方法的流程步骤；参见附图2，本发明的系统可设置为油耗对比模式或者油耗评定模式。在对比模式下，四个标准容器都参与工作。在评定模式下，容器Q2和容器Q4交替工作。

系统由四个150升由质检部门认定的标准计量容器Q1～Q4、原燃油柜1、电子加油机2、检测和控制单元3、温度传感器G7、自动排气单元(图中未画出)、PLC计数计时单元33、USB接口34等附件组成。其中，所述的浮子液位传感器G3～G6、液位传感器G1、G2、G11、G22、分别设置在所述容器Q1～Q4的进、出口端。

带有液位传感器G1、G2、G11、G22的液面监控装置是本系统的计量装置的主要组成单元，用以保证计量结束时准确和及时停止供油，并且发送指令，及时打开另一计量容器出油阀，以保证柴油机连续工作和油耗的精确计量。

标准容器液位控制装置由浮子室(图中未画出)、浮子液位传感器G3～G6、溢流管(图中未画出)组成，液位由固定的溢流口的位置确定，该位置由质检部门标定。浮子液位传感器控制的液位略高于溢流口，多出的油液从溢流口溢出，油液位置停留在标定位置，此时即为质检部门标定的标准体积的燃油。

当所述容器中的油位下降到标定位置时(该位置由质检局标定)，电磁液面传感器发出指令，关闭容器出口阀，开启备用容器的出口阀，PLC计数1次并记录使用时间，同时加油泵，向空容器加油。

最后使用的容器中的油耗不是整罐，本装置用手动方式启动供油泵P1，把该容器加满，通过由质检局标定的流量计计量，其读数即为实际油耗。

本系统可以应用于实船运行的柴油机油耗精准的计量和对双机船舶进行对比计量。在用户指定的某种柴油机工况时段下(如机动航行油耗、定速航行油耗、牵引工况油耗、停航工况等)，计量消耗同体积燃油，使用了和没有使用节油产品的运行时间。或计量在相同运行时间下，使用了节油产品的节油率。

基于本系统中的装置，也可在实验室柴油机的台架实验中设定好相同的普通燃油和节油产品燃油的罐数，确定好工况等条件，两罐组分别进行实验。达到使用罐数后，分别记录两组时间，对各类燃油在相同负荷的试验条件下进行消耗时间精确对比，检测节油效果，计算出节油率。或者在相同时间内，比较不同产品的消耗量，计算节油率。

本系统还可以按用户要求或按有关质检部门要求对流量计产品、节能产品进行检验和标定，制定计量开始与截止时间，准确计量油耗。

具体操作过程是，首先将两个“计时/计数器”清零，对所有显示单元清零(手动按清零开关)，按“手动/自动”选择自动或手动，通常选自动，启动导油计量装置，按下“油耗对比模式”按钮后，加油泵P1、电磁阀V5、V6、V7、V8开启，向标准容器G1～G4加油。加满后会自动停P1，关闭电磁阀V5、V6、V7、V8。向容器Q1～Q4加油的同时，电磁阀V02、V1、V2、V3、V4开启，向柴油机供油管路充油赶气,，排气装置靠近柴油机安放。启动柴油机，可与容器Q1～Q4加油时间重叠。柴油机启动后，电磁阀V1、V2、V3、V4在5分钟后自动关闭，待四个容器加满油后，设在容器顶部控制液位的浮球液位传感器G3、G4、G5、G6分别动作，关闭电磁阀V5、V6、V7、V8，待全部动作后，发出指令，使供油泵P1停止，停止加油。在加油过程中人工手动通过浮子室上部加剂口向容器Q3、Q4按比例加入添加剂待用。此时容器内油量为质检局标定的标准容积。

如此，再以实施例析之：

实施例一，适用于各种双机实船的测试：在变工况下的实际油耗对比计量，其精度可以达到千分之0.2～0.5。(对于单机船，必须指定工况。)该实验需要事先确定航行的目的地，实验时间随航行时间而定。一台柴油机通过测量系统使用普通常用柴油，一台通过系统使用节能柴油。可保证在相同负荷、相同时间对比油耗。在油耗对比模式下手动按“启动/停止”按钮，启动计量过程。系统关闭电磁阀V0、V01，开启电磁阀V1、V3，此时由容Q1、Q3供油，罐计数器HT1、HT2开始为V1、V3延时，延时时间依据全部替换管内燃油所需的时间为准，由人工设定。延时时间到达后，V2、V4开启，V1、V3关闭，柴油机由容器Q2、Q4供油，实验正式开始，计时器开始分别计时，柴油机供油由原来的正常供油改为由计量容器分别向各组柴油机供油。同时启动加油泵P1、电磁阀V5、V7为容器Q1、Q3加满油备用，并向容器Q3补充添加剂。当容器Q2油位下降到标定位置时(该位置由质检局标定)，电磁液位传感器G1发出指令送到控制箱，控制箱立即发出一系列指令，首先关闭电磁阀V2，使计数器PLC为普通柴油计数一次并计时，表明已准确使用一个标准容积柴油并记录使用时间。同时，开启电磁阀V1，改由容器Q1向柴油机供油，并启动加油泵P1、开启电磁阀V5，向容器Q2加油，加满后由浮子液位传感器发出指令，停加油泵P1，关电磁阀V6，此时，容器1工作，容器2处于备用状态。容器1液位下降到标定位置时，G11动作，重复上述过程，使两计量罐连续交替工作，保证柴油机计量时间不受限制。同理，当容器4油位下降到标定位置时(该位置由质检局标定)，电磁液位传感器G2发出指令，关闭V4，开启电磁阀V3，PLC为节能柴油计数1次并记录使用时间，表明已准确使用1个容积的节能柴油和使用时间。同时，改由容器Q3向柴油机供油，并启动加油泵P1、开启电磁阀V8，向容器Q4加油，加满后浮球液位传感器发出指令，停P1，关V8，并手动向容器4注入添加剂。此时，容器Q3工作，容器Q4处于备用状态。容器Q3液位下降到标定位置时，液位传感器G22动作，重复上述过程，使两计量罐连续交替工作，保证柴油机计量时间不受限制。当计量时间到，液位传感器G1或G11、G2或G22动作，则关闭电磁阀V1、V2、V3、V4，开启电磁阀V0、V01、V02，参试的两台柴油机全部恢复原油柜正常供油状态。每一种柴油的总油耗＝计数器读数X 150升+最后容器中的使用量。最后使用的容器中的油耗计量方法：由于最后使用的容器中的油耗不是整罐，本系统用手动方式启动供油泵P1，把该容器加满，通过由质检局标定的流量计计量，其读数即为实际油耗，然后计算出节油率。再按“启动/停止”按钮，可再重复以上实验内容。

实施例二，适用于台架的实验：该项试验需要事先设定好使用燃油的罐数。两罐组分别进行，普通柴油和节能柴油使用相同罐数，达到使用罐数后，系统分别记录两组时间，实验结束。目的是对各类燃油在相同负荷等试验条件下进行消耗时间精确对比，检测节油效果。适用于实验室柴油机的台架实验。每一种柴油的总油耗＝各容器数累加。

实施例三，油耗精确计量：可根据用户指定的某种柴油机工况时段，准确计量油耗。此时装置使用油耗评定模式，此模式下标准容器Q2和Q4交替工作，精确计量在指定的的工况和时间内的燃油消耗。适用于各种中高速船用柴油机，而且不受载重、吃水、吃水差、洋流、风向、风力、环境温度和船型等等因素的影响。

实操作业时，在油耗评定模式下，先手动按清零开关将计数器清零。之后，按"手动/自动"开关，选择自动或手动；通常情况下选自动即可。当按下键后，加油泵P1、电磁阀V6、V8开启，向标准容器2和4加油。同时，V0、V2、V4开启，向柴油机供油管路充油赶气(放气阀安放在柴油机上)。V2、V4在开启5-15秒后自动关闭，待两容器加满油后，设在容器顶部控制液位的浮球液位传感器G4、G6发出指令，使供油泵P1停止，电磁阀V6、V8关闭，停止加油，此时容器内油量为质检局标定的标准容积。

按用户要求或按有关审计部门要求，制定计量开始与截止时间，由HT1设定；在开始时间在按下"手动/自动"按钮后，会加上由HT1人工设定的延时时间确定，延时是为了热机和过度。延时时间到达后计量自动开始，这时，电磁阀V0自动关闭，切断原供油油路，把原供油系统转变为由计量装置供油。当容器Q2油位下降到标定位置时(该位置由质检局标定)，电磁液位传感器G1发出指令，关闭V2，使触摸屏-PLC计数1次，表明已准确使用150升柴油，同时，开启电磁阀V4，改由容器4向柴油机供油，并启动加油泵P1、开启电磁阀V6，向容器2加油，加满后浮球液位传感器发出指令，停P1，关V6，此时，容器Q4工作，容器Q2处于备用状态。

当容器Q2液位下降到标定位置时，电磁液位传感器G2发出指令，计数器累加一，同时开启V2，由容器Q2供油，启动P1、V8，向容器Q4加油至备用状态。当计量结束时，按"启动/停止"按钮，V0开启，V2、V4关闭，柴油机恢复正常供油。再按"启动/停止"按钮，可再重复以上实验内容。此计量期间和计量工况的总油耗为：总油耗＝计数器读数X 150升+最后容器中的使用量。本例中所述的最后使用的容器中的油耗计量方法是指：由于最后使用的容器中的油耗不是整罐，故而可将本系统采用手动方式启动供油泵P1，把该容器加满，然后通过由质检局标定的流量计进行计量，其读数即为实际油耗。其中，HTI-HT2为罐计数器计数范围0-9999。

由于误差是单方向的，均为负值，在两组同时做对比试验时，误差向同方向变化，导致最终对比实验误差小于单罐计量误差，极限情况可能接近于零。而采用两个流量计作对比实验时，由于误差为正负两个方向，其误差会大于单个流量计误差，极限情况会加倍。

综上，利用本发明的方法，本系统可连续长时间计量；适用于柴油机的功率范围较广，计量精度高，安放位置灵活，不受环境温度、负荷变化、震动、船舶摇晃等因素影响；实验数据记录全面准确，可通过U盘取出，在计算机上分析，也可直接打印，保证了数据的真实和可靠性。

Claims (2)

1.一种船用柴油机油耗对比计量方法，其特征在于，所述方法包括：适于双机的实船在变工况下实际的油耗对比计量步骤、实验室单台或多台柴油机在相同负荷和相同工况条件下使用不同燃油的台架实验的油耗对比计量步骤、按用户要求或按有关质检部门要求对流量计产品、节能产品进行检验和标定的步骤，其中，所述适于双机的实船在变工况下实际的油耗对比计量步骤是：事先确定航行的目的地，实验时间随航行时间而定，一台柴油机通过测量系统使用普通常用柴油，另一台通过系统用节能柴油；以此实施所述两机在相同负荷、相同工况、相同时间内来对比油耗的步骤；其中，在保证柴油机的柴油供给的情况下，所述普通柴油的过渡容器与测量容器、节能柴油的过渡容器与测量容器分别交替工作；由此步骤，算出每一种柴油的总油耗＝计数器读数X150升+最后容器中的使用量；

所述台架实验的油耗对比计量步骤是：在单台或两台柴油机的台架实验中，事先备好普通柴油和节能柴油，并设定好高精度测量系统中要使用燃油的罐数，两罐组分别进行，普通柴油和节能柴油使用相同罐数，达到使用罐数后，所述高精度测量系统分别记录两组时间，对各类燃油在相同负荷试验条件下进行消耗时间精确对比，检测节油效果，分别计算出单位油耗、累计油耗和节油率；或者确定相同的时间、相同的负荷，分别精确计量在两次实验内燃油的消耗量，计算节油率，检测节油效果；

所述按用户要求或按有关质检部门要求对流量计产品、节能产品进行检验和标定的步骤是：按用户要求或按有关质检部门要求，制定计量开始与截止时间和运行工况，以所述高精度测量系统来准确计量油耗，计量期间和计量工况下的总油耗为：总油耗＝计数器读数X150升+最后容器中的使用量。

2.根据权利要求1所述的船用柴油机油耗对比计量方法，其特征在于,最后使用的容器中的油耗计量方法，其步骤包括：根据最后使用的容器中的油耗不是整罐的情况，以手动方式启动供油泵，将最后使用的容器加满，通过由质检局标定的流量计计量，其中的读数即为最后容器的实际油耗量，其中，所述容器的罐计数器计数范围在0-9999，最后计算出节油率。

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