CN207379721U - 一种船用双燃料发动机性能测试试验台架 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，船用双燃料发动机的功率输出轴连接水力测功器的输入轴，船用双燃料发动机的控制端连接有发动机控制器，发动机控制器连接嵌入式测控器，嵌入式测控器连接第一信号采集模块，第一信号采集模块包括设置于船用双燃料发动机的数个传感器；发动机控制器通过嵌入式测控器连接信号输出模块。本实用新型针对当前船用双燃料发动机监控试验平台的匮乏，提供了一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，可以整合监控双燃料所关注的主要信号，在监测到发动机在非正常状态下运作时，可通过报警装置发出预警信号。

Description

一种船用双燃料发动机性能测试试验台架

技术领域

本实用新型属于内燃机工程技术领域，具体涉及一种船用双燃料发动机性能测试试验台架。

背景技术

随着柴油等化石燃料价格的上涨，以船舶为动为的航运成本日益增加，再加上日益严格的近海排放法规，使得近年来船用柴油天然气双燃料发动机以其独有的优势受到越来越多的关注。目前，国外对船用双燃料发动机研发已经取得了一定的成就，且已有作为成熟的产品应用在船舶上。而国内各科研单位双燃料发动机方面的研究起步较晚，目前还处于摸索阶段。虽然在一些国有科研企业单位已有双燃料发动机实物，但其核心技术都是掌握在国外企业手中，对国内实行技术封锁。因此，设计并开发船用双燃料发动机性能测试试验台架，监测分析双燃料发动机在不同工况下运行的各项状态参数，对于我国自主设计开发新机型的船用双燃料发动机关键技术研究具有重要意义。

发明内容：

为了克服上述背景技术的缺陷，本实用新型提供一种船用双燃料发动机性能测试试验台架。

为了解决上述技术问题本实用新型的所采用的技术方案为：

一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，其特征在于：船用双燃料发动机的功率输出轴连接水力测功器的输入轴，船用双燃料发动机的控制端连接有发动机控制器，发动机控制器连接嵌入式测控器，嵌入式测控器连接第一信号采集模块，第一信号采集模块包括设置于船用双燃料发动机的数个传感器；发动机控制器通过嵌入式测控器连接信号输出模块。

较佳地，第一信号采集模块包括用于采集船用双燃料发动机微喷系统的微喷系统信号采集单元，和用于采集船用双燃料发动机燃气系统的燃气系统信号采集单元。

较佳地，燃气系统信号采集单元包括：在燃料调节装置之前的燃气输入管道上设置的主燃气管道流量传感器。

较佳地，微喷系统信号采集单元包括：

设置于微喷系统预过滤器进口管道的预过滤燃油压力传感器；

设置于微喷系统供给泵进口管道的供给泵燃油压力传感器；

设置于主滤器进口管道的主滤器进口燃油压力传感器；

设置于主滤器出口管道的主滤器出口燃油压力传感器；

设置于供油管路的供油温度传感器和供油压力传感器；

设置于回油管路的回油压力传感器、回油温度传感器和回油压力传感器；

设置于喷油器回油管路的喷油器回油温度传感器。

较佳地，嵌入式测控器为CompactRIO嵌入式测控器。

较佳地，信号输出模块包括报警器、打印机和显示器。

较佳地，发动机控制器的信号输入端通过第二信号采集模块连接船用双燃料发动机。

较佳地，第二信号采集模块包括：

设置于船用双燃料发动机进气总管的进气总管压力传感器，

设置于船用双燃料发动机排气总管的排气总管压力传感器，

设置于船用双燃料发动机各主轴承的主轴承温度传感器，

设置于船用双燃料发动机各缸排气管的排气温度传感器，

设置于船用双燃料发动机空冷器进口管道的空冷进口压力传感器，

设置于船用双燃料发动机废弃涡轮出口管道的涡轮出口压力传感器，

设置于船用双燃料发动机调压阀前燃气管道的调压温度传感器和调压压力传感器；

设置于船用双燃料发动机高温水出口管路的发动机高温水温度传感器；

设置于船用双燃料发动机中冷器高温水出口管路的中冷器高温水温度传感器。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型同时集中了发动机控制器的信号采集，和单独设置的采集模块中的信号，包括第一信号采集模块中的温度、压力、流量等信号，以及第二信号采集模块发送至发动机控制器的增压器转速、废气旁通阀开度、空燃比等信号。对这些信号集中到嵌入式测控器之后，一起在人机交互界面上显示，可清晰的观测到发动机当前运行状态各个部件的状态参数；

通过本实用新型的结构，在发动机要运作前，嵌入式测控器可以根据信号判断发动机是否满足动车条件，若不满足，则会指出说明哪个地方缺乏动车条件，避免了人工一个个去排除动车的先决条件；本实用新型嵌入式测控器使用了CompactRIO设备，CompactRIO设备内包含有一个实时控制器，为嵌入式测控器的功能拓展预留了接口。避免在将来要在嵌入式测控器上增加某些功能时，必须配置新的硬件。

对发动机越出限值范围内信号配置了报警器，其中声光报警器与真实船舶内的报警器一致，对发动机在非正常工况下状态运行时，能及时、明确的给予操作人员预警；

通过水力测功器，可以模拟发动机在不同负载下的工作状态；通过输出模块的打印装置，可快速打印嵌入式测控器人机交互界面显示的信号历史变化图表，作为纸质留存备份，方便翻阅分析。

本实用新型针对当前船用双燃料发动机监控试验平台的匮乏，提供了一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，可以整合监控双燃料所关注的主要信号，在监测到发动机在非正常状态下运作时，可通过报警装置输出预警信号。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的整体结构示意图。

图中：1-船用双燃料发动机，2-水力测功器，3-发动机控制器，4-第一信号采集模块，5-嵌入式测控器，6-输出模块，6.1-报警器，6.2-打印机，6.3-显示器，7-第二信号采集模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。

一种船用双燃料发动机1性能测试试验台架：船用双燃料发动机1的功率输出轴连接水力测功器2的输入轴，船用双燃料发动机1的控制端连接有发动机控制器3，发动机控制器3连接嵌入式测控器5，嵌入式测控器5连接第一信号采集模块4，第一信号采集模块4包括设置于船用双燃料发动机1的数个传感器；发动机控制器3通过嵌入式测控器5连接信号输出模块6。

第一信号采集模块4包括用于采集船用双燃料发动机1微喷系统的微喷系统信号采集单元，和用于采集船用双燃料发动机1燃气系统的燃气系统信号采集单元。

燃气系统信号采集单元包括：在燃料调节装置之前的燃气输入管道上设置的主燃气管道流量传感器。

微喷系统信号采集单元包括：

设置于微喷系统预过滤器进口管道的预过滤燃油压力传感器；

设置于微喷系统供给泵进口管道的供给泵燃油压力传感器；

设置于主滤器进口管道的主滤器进口燃油压力传感器；

设置于主滤器出口管道的主滤器出口燃油压力传感器；

设置于供油管路的供油温度传感器和供油压力传感器；

设置于回油管路的回油压力传感器、回油温度传感器和回油压力传感器；

设置于喷油器回油管路的喷油器回油温度传感器。

嵌入式测控器5为CompactRIO嵌入式测控器5。

信号输出模块6包括报警器6.1、打印机6.2和显示器6.3。

发动机控制器3的信号输入端通过第二信号采集模块7连接船用双燃料发动机1。

第二信号采集模块7包括：

设置于船用双燃料发动机1进气总管的进气总管压力传感器，

设置于船用双燃料发动机1排气总管的排气总管压力传感器，

设置于船用双燃料发动机1各主轴承的主轴承温度传感器，

设置于船用双燃料发动机1各缸排气管的排气温度传感器，

设置于船用双燃料发动机1空冷器进口管道的空冷进口压力传感器，

设置于船用双燃料发动机1废弃涡轮出口管道的涡轮出口压力传感器，

设置于船用双燃料发动机1调压阀前燃气管道的调压温度传感器和调压压力传感器；

设置于船用双燃料发动机1高温水出口管路的发动机高温水温度传感器；

设置于船用双燃料发动机1中冷器高温水出口管路的中冷器高温水温度传感器。

发动机控制器3发出使双燃料发动机运转的信号，通过第二信号采集模块7接收双燃料发动机反馈的当前运行状态的信号，再根据反馈信号调整发出的控制信号，同时把反馈的信号传递给嵌入式测控器5；水力测功器2用于模拟双燃料发动机在工作时候的真实负载；第一信号采集模块4采集双燃料发动机当前状态的各项参数，如各部件的温度、压力以及流量等，并把采集的信号通过以太网、485总线传递给嵌入式测控器5；嵌入式测控器5接收发动机控制器3、第一信号采集模块4传递过来的信号，对信号进行处理之后在输出模块6的人机交互界面上显示，同时将其中超过预期限值的信号传递到报警器6.1；报警器6.1接收嵌入式测控器5所传递过来的报警信号进行报警；输出模块6的打印装置快速打印嵌入式测控器5输出的信号的历史变化趋势。

报警器6.1包括声光报警与模拟灯报警，其中声光报警器6.1是通过硬件实物报警，而模拟灯报警是在人机交互界面上通过模拟报警灯的方式预警。

第一信号采集模块4中的温度转换模块包含16路通道，用于采集发动机的温度信号。在一个部件上的温度变化不大，且对温度信号只要精确到一位小数点就足够。使用该模块完全满足温度信号要求，且成本较为低廉，通过RS-485总线通信方式实时传递数据给嵌入式测控器5。

使用CompactRIO设备保证了信号的精度以及采集速率的要求，对压力、流量等信号的精度要求较高，且变化速率较快，并通过以太网将传输数据。

报警器6.1是通过声光报警器6.1发出声响与光闪作为预警，其他的报警信号则是在人机交互界面使用模拟灯的形式作为预警。

双燃料发动机与普通的柴油机相比，多了微喷系统以及燃气系统，同时，双燃料发动机上设置了两个喷油器，一个作为微喷系统使用、一个使作为主喷系统使用。燃气系统是新设置的一套燃气调节单元，用于发动机切换到燃气模式下的燃气供给调节。而微喷系统是用作燃气模式下发动机的点火(柴油是压燃的，而燃气的燃点比较高，无法通过压缩点燃，所以用微喷系统先喷入少量的柴油使发动机发火，然后再切换为燃气)。

本实用新型中，双燃料发动机与发动机控制器3的信号传输是双向的，双燃料发动机与嵌入式测控器5的信号传输是单向的，发动机控制器3的信号与嵌入式测控器5的信号传输是双向的。

发动机控制器3采集发动机的部分信号并输出双燃料发动机运转的必要信号(双燃料发动机的运转是通过控制器的输出信号控制的，比如：什么时候喷油(喷油正时)、喷多少油(喷油脉宽)、伺服油以及燃油压力的调节、以及各种阀门的开度等)。

嵌入式测控器5通过第二采集模块和发动机控制信号采集剩余的发动机信号(排除发动机控制器3已采集的)，与发动机控制器3通信(发动机控制器3相当于一个黑盒子，它所采集的信号不做显示，所以将它所采集到的发动机信号以及输出给发动机的控制信号传递各嵌入式测控器5，在嵌入式测控器5上做处理显示)。

船用双燃料发动机1上的一些参数，无法通过传感器直接采集，为了能在嵌入式测控器5上直观的看到这些参数，就必须通过发动机控制器3通信传输数据，比如：燃油喷射时刻、喷射脉宽、空燃比λ、调压阀开度等，另外一些发动机控制器3内不包含的参数，而在船用双燃料发动机1运行过程中需要监测的参数，就通过传感器直接采集，并显示。比如：高(低)温调压阀进口水压、发动机出口水压、滑油冷却器进口水压、微喷主滤器进(出)口燃油压力、高(低)温水泵出口水温、滑油冷却器进口水温、主燃气管道流量等。嵌入式测控器5对这些采集与通信的信号进行显示，并判断其是否超过许用的限值，若超过限值，则报警，另外嵌入式测控器5将某些采集的信号做处理之后传递给发动机控制器3，比如：采集到扭矩法兰的信号，处理完之后成为功率信息，再传递给发动机控制器3。综上所述，嵌入式测控器5整合发动机控制器3与采集的信号，处理后在上位机显示，对非正常值的信号做预警处理，同时将采集的部分信号做处理后传递给发动机控制器3，作为控制器正常运行的输入信号。

水力测功器2的轴与发动机功率输出端的轴相连，带动测功机内的转子旋转，从而带动工作腔内水的旋转。在离心力的作用下，水被甩到腔的外壳内壁，给外壳一转动力矩。装在外壳壳体上的制动臂将随着转动一角度，拉动制动臂连接上的拉力传感器，从而测得功率大小。而通过控制测工机上排水阀控制蝶阀的开度，改变测工机工作腔内水的压力来改变吸收功率的大小(如：若要让发动机发出额定功率的75％，则通过慢慢调节测工器上排水阀的开度大小，看水力测功器2上的功率显示为发动机额定功率的75％时，固定排水阀的开度。发动机发出的功率也是被测工器吸收的功率，所以水力测功器2有调节发动机负载的作用)。

本实施例试验台架进行船用双燃料发动机性能测试的试验方法为：

通过水力测功器2向船用双燃料发动机1输入负载，

第一信号采集模块4将采集到的船用双燃料发动机1实时运转信号发送至嵌入式测控器5，第二信号采集模块7将采集到的船用双燃料发动机1实时反馈信号发送至发动机控制器3，发动机控制器3将发动机实时反馈信号发送至嵌入式测控器5，

嵌入式测控器5将发动机实时运转信号与预存的运转信号阈值进行比较，将发动机实时反馈信号与预存的反馈信号阈值进行比较，若发动机实时运转信号超出运转信号阈值，或发动机实时反馈信号超出反馈信号阈值，则通过输出模块6输出报警信号；

嵌入式测控器5接收信号第一信号采集模块4和发动机控制器3传递过来的信号，在发动机起动前，先根据信号可以判断发动机是否满足动车条件。同时将传递过来的信号在人机交互界面显示，并将采集的某些信号经过处理之后发送给发动机控制器3，作为发动机控制器3必要的输入信号。同时还将一些重要的信号做处理，若信号不在设定限制范围，则将对应的报警信号传递给报警器6.1。

水力测功器2用于模拟船用双燃料发动机1的在工作过程真实负载状况。船用双燃料发动机1功率输出端的轴与水力测功器2的轴相连，带动测功机内的转子旋转，从而带动工作腔内水的旋转。水力测功器2内在离心力的作用下，水被甩到腔的外壳内壁，给外壳一转动力矩。装在外壳壳体上的制动臂将随着转动一角度，拉动制动臂连接上的拉力传感器，从而测得功率大小。而通过控制测工机上排水阀控制蝶阀的开度，改变测工机工作腔内水的压力来改变吸收功率的大小。

第一信号采集模块4用于采集船用双燃料发动机1的运行状态参数，其中包含温度、压力、流量等信号，将采集到的这些信号传递给嵌入式测控器5。

发动机控制器3用于输出信号控制船用双燃料发动机1的运转，接收双燃料发动机的反馈信号，再根据反馈信号，调节输出信号至船用双燃料发动机1，同时将信号传递给嵌入式测控器5。

嵌入式测控器5用于接收发动机控制器3和第一信号采集模块4传输来的信号，对信号进行一系列的处理，如：保存传输来的信号，在人机交互界面上显示当前信号以及将超出限值范围的信号传递予报警器6.1等。同时也将某些处理后的采集信号反馈给发动机控制器3，作为发动机控制器3控制双燃料发动机的必要信号。(船用双燃料发动机1上的一些参数，无法通过传感器直接采集，为了能在嵌入式测控器5上直观的看到这些参数，就必须通过发动机控制器3通信传输数据，比如：燃油喷射时刻、喷射脉宽、空燃比λ、调压阀开度等，另外一些发动机控制器3内不包含的参数，而在船用双燃料发动机1运行过程中需要监测的参数，就通过传感器直接采集，并显示。比如：高(低)温调压阀进口水压、发动机出口水压、滑油冷却器进口水压、微喷主滤器进(出)口燃油压力、高(低)温水泵出口水温、滑油冷却器进口水温、主燃气管道流量等。嵌入式测控器5对这些采集与通信的信号进行显示，并判断其是否超过许用的限值，若超过限值，则报警，另外嵌入式测控器5将某些采集的信号做处理之后传递给发动机控制器3，比如：采集到扭矩法兰的信号，处理完之后成为功率信息，再传递给发动机控制器3。综上所述，嵌入式测控器5的具体内容就是，整合发动机控制器3与采集的信号，处理后在上位机显示，对非正常值的信号做预警处理，同时将采集的部分信号做处理后传递给发动机控制器3，作为控制器正常运行的输入信号。)

报警器6.1用于响应嵌入式测控器5传递来的报警信号，其中有涉及双燃料发动机怠速运行、停车的信号使用声光报警器6.1发出预警，对其他报警信号使用模拟灯的方式发出预警。

打印装置用于快速打印嵌入式测控器5显示在人机交互界面上信号的历史变化波形，以及打印嵌入式测控器5生成的报表等。

在船用双燃料发动机1准备运行时，嵌入式测控器5先根据第一信号采集模块4传递过来的信号判断当前状态是否满足船用双燃料发动机1的动车条件，若满足会显示可进行动车指示，若不满足则会显示在哪些方面缺乏动车条件。

在双燃料发动机运转时，发动机控制器3接收第二信号采集模块7发送过来的反馈信号，根据双燃料发动机反馈的当前的工作状态不断调节控制信号，同时也将信号传递给嵌入式测控器5。第一信号采集模块4也在不停的采集船用双燃料发动机1的状态参数，也将信号传递给嵌入式测控器5。嵌入式测控器5接收来自发动机控制器3与第一信号采集模块4的信号，将信号进行整合处理，如：对信号进行保存操作，挑选部分重要的信号在人机交互界面上显示，对超出限值范围的信号传递给报警器6.1做预警处理。在嵌入式测控器5处于运行状态时，打印装置，可以快速打印嵌入式测控器5显示在人机交互界面上信号的历史变化波形，以及打印嵌入式测控器5生成的报表等。

采集部分，各路传感器的信号接入发动机控制器3的采集卡，发动机控制器3的采集卡将传感器出来模拟信号调理成计算机所能识别的数字信号后传递给嵌入式测控器5，嵌入式测控器5再数字信号转换成实际的物理量，对数据显示、超过限值的报警处理；通信部分，同理。

每个传感器有一个测试的范围(量程)(如一个压力传感器的量程可能为0～300bar)，但传感器输出大都是0～10V或4～20mA的标准信号，如量程为0～300bar的压力传感器，在测量150bar的压力信号时，输出的就是5V或者12mA的信号。嵌入式测控器5上所包含的部分程序就是将这些传感器输出的大小不一的信号，转换成传感器实际测取的物理信号(转换后的单位就是为bar、℃、Nm等)。

嵌入式测控器5与发动机控制器3的通信是用以太网为媒介传输Modbus协议，Modbus协议中传输的数值只能是无符号整型(只能为整数)，所以在传输数据的时候，控制器将要通信的数值乘以一个系数(通常为10倍、或者100倍)，将原本数值中带有的小数转换成整数，而嵌入式测控器5再接收到这些数据之后，再除以之前所乘的系数即可。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，其特征在于：船用双燃料发动机(1)的功率输出轴连接水力测功器(2)的输入轴，所述船用双燃料发动机(1)的控制端连接有发动机控制器(3)，所述发动机控制器(3)连接嵌入式测控器(5)，所述嵌入式测控器(5)连接第一信号采集模块(4)，所述第一信号采集模块(4)包括设置于所述船用双燃料发动机(1)的数个传感器；所述发动机控制器(3)通过嵌入式测控器(5)连接信号输出模块(6)。

2.根据权利要求1所述的一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，其特征在于，所述第一信号采集模块(4)包括用于采集所述船用双燃料发动机(1)微喷系统的微喷系统信号采集单元，和用于采集所述船用双燃料发动机(1)燃气系统的燃气系统信号采集单元。

3.根据权利要求2所述的一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，其特征在于，所述燃气系统信号采集单元包括：在燃料调节装置之前的燃气输入管道上设置的主燃气管道流量传感器。

4.根据权利要求2所述的一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，其特征在于，所述微喷系统信号采集单元包括：

设置于微喷系统预过滤器进口管道的预过滤燃油压力传感器；

设置于微喷系统供给泵进口管道的供给泵燃油压力传感器；

设置于主滤器进口管道的主滤器进口燃油压力传感器；

设置于主滤器出口管道的主滤器出口燃油压力传感器；

设置于供油管路的供油温度传感器和供油压力传感器；

设置于回油管路的回油压力传感器、回油温度传感器和回油压力传感器；

设置于喷油器回油管路的喷油器回油温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，其特征在于：所述嵌入式测控器(5)为CompactRIO嵌入式测控器(5)。

6.根据权利要求1所述的一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，其特征在于：所述信号输出模块(6)包括报警器(6.1)、打印机(6.2)和显示器(6.3)。

7.根据权利要求1所述的一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，其特征在于：所述发动机控制器(3)的信号输入端通过第二信号采集模块(7)连接所述船用双燃料发动机(1)。

8.根据权利要求7所述的一种船用双燃料发动机性能测试试验台架，其特征在于，所述第二信号采集模块(7)包括：

设置于所述船用双燃料发动机(1)进气总管的进气总管压力传感器，

设置于所述船用双燃料发动机(1)排气总管的排气总管压力传感器，

设置于所述船用双燃料发动机(1)各主轴承的主轴承温度传感器，

设置于所述船用双燃料发动机(1)各缸排气管的排气温度传感器，

设置于所述船用双燃料发动机(1)空冷器进口管道的空冷进口压力传感器，

设置于所述船用双燃料发动机(1)废弃涡轮出口管道的涡轮出口压力传感器，

设置于所述船用双燃料发动机(1)调压阀前燃气管道的调压温度传感器和调压压力传感器；

设置于所述船用双燃料发动机(1)高温水出口管路的发动机高温水温度传感器；

设置于所述船用双燃料发动机(1)中冷器高温水出口管路的中冷器高温水温度传感器。