漁船直噴式CNG-柴油雙燃料動力系統(tǒng)控制裝置研究

王 錚，付宗國

(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316000；2.浙江海洋學(xué)院船舶與建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316004)

我國是世界上漁船最多的國家，現(xiàn)擁有漁船達(dá)106萬艘以上，約為全世界漁船總量的25%，漁船功率總和超過了1 600萬KW，而海洋漁船總能耗約占整個(gè)漁業(yè)能耗的70%，漁船燃料的費(fèi)用約占漁業(yè)捕撈成本的75%。近年來，盡管國家出臺的柴油補(bǔ)貼政策對漁船補(bǔ)貼進(jìn)入常態(tài)化，但高企的油價(jià)和高油耗，使得漁民仍難以承受，造成漁船被迫停港現(xiàn)象非常普遍，漁民生產(chǎn)生活也面臨較大困難[1]。與此同時(shí)，燃油的大量消耗，帶來的污染物的排放較高[2]。作為綠色能源的天然氣，具有儲量豐富、價(jià)格低廉、、運(yùn)輸方便、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，替代柴油在漁船等領(lǐng)域推廣使用，將推進(jìn)漁船節(jié)能減排，促進(jìn)漁民持續(xù)增收，對促進(jìn)漁船的現(xiàn)代化發(fā)展將會起到重要的作用[3]。中國作為一個(gè)多天然氣少油的國家，將柴油機(jī)改裝為柴油-壓縮天然氣(CNG)混燃發(fā)動機(jī)是一個(gè)較為理想的動力選擇。本文主要從漁船高壓直噴式(HPDI)柴油機(jī)改裝成CNG-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)研究及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 漁船柴油機(jī)改成雙燃料發(fā)動機(jī)優(yōu)勢

1.1 壓縮天然氣的特點(diǎn)

天然氣主要是由CH4(82%～98%)構(gòu)成，并含有少量C2H6、C3H8等。船舶用天然氣須經(jīng)過脫烴、脫水等凈化處理，才能成為高效、清潔、優(yōu)質(zhì)的替代用燃料。而液化天然氣(LNG)是在常壓下將天然氣凈化處理后冷卻到-162℃液化后儲存在容器中，相關(guān)技術(shù)設(shè)備要求苛刻，投資較大[4]。壓縮天然氣(CNG)是將天然氣壓縮到20 MPa以上儲存在高壓氣罐中，與LNG相比其運(yùn)輸、灌裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，改裝投入較低[5]。

目前天然氣已廣泛地應(yīng)用在城市公共汽車以及長途運(yùn)輸重卡，其作為清潔燃料已成為交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展新趨勢，在漁船上推廣前景廣闊[6]。

1.2 漁船CNG-柴油雙燃料動力經(jīng)濟(jì)性分析

目前各個(gè)國家普遍將天然氣價(jià)格(單位1 m3)保持在1 L柴油價(jià)格的一半。若各種類型的發(fā)動機(jī)熱轉(zhuǎn)化效率近似，那么使用天然氣的燃料費(fèi)用約為純汽油或柴油的一半[7]。

漁船以拖網(wǎng)漁船為例，漁船自由航行期間航速10～20 kn，在拖曳作業(yè)航速為2～3 kn。在按單價(jià)柴油8元/L、天然氣3元/m3，每天工作10 h，純柴油耗量0.365 L/kW(0.3 kg/kW)、雙燃料運(yùn)行天然氣替油率為80%，1 m3天然氣燃值按照相當(dāng)于1 L柴油計(jì)算，設(shè)定漁船主機(jī)的功率為200 kW，則純柴油運(yùn)行每天需燃料費(fèi)5 840元;以雙燃料運(yùn)行，日耗天然氣約584 m3，每天需燃料費(fèi)2 336元，雙燃料運(yùn)行比純柴油運(yùn)行每天節(jié)約3 504元。如每年工作300 d，可節(jié)約燃料費(fèi)1 051 200元，半年即可收回全部改造投資。若天然氣柴油雙燃料漁船功率為400 kW，則每年可節(jié)約燃料費(fèi)21萬元，一季度即可收回改造投資?？梢?，采用天然氣柴油雙燃料漁船效益是顯著的，而且功率越大，節(jié)約燃料費(fèi)越多[8]。

此外，天然氣密度較小，在空氣中容易擴(kuò)散，在氣缸中容易和空氣混合，不容易在管路中積碳，燃燒抗爆的性能較好，不會導(dǎo)致潤滑油稀釋。使用天然氣，發(fā)動機(jī)的磨損將大幅減少，機(jī)器的使用壽命大幅度提高。潤滑油使用期限延長[9]。這都將降低漁船的保養(yǎng)運(yùn)行費(fèi)用，在漁船上推廣使用。

1.3 漁船CNG-柴油發(fā)動機(jī)的社會效益

柴油發(fā)動機(jī)排放的廢氣中主要的有害成分是氮氧化物、二氧化硫、碳煙顆粒物質(zhì)等。各個(gè)國家為減少排放尾氣對大氣的污染，都制定相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)，且對尾氣排放要求也在逐年提高。這就導(dǎo)致現(xiàn)有主機(jī)的加工制造難度提高，與燃油相比，氣體燃料對大氣污染物少。將天然氣作為漁船燃料，可以大幅降低尾氣排放中的各種有害成分。

CNG儲氣罐結(jié)實(shí)可靠，天然氣密度比空氣小，漁船航行在開闊的大海，稍有氣體泄漏，很快就會擴(kuò)散到大氣中。目前相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟的在汽車上規(guī)模使用，且漁船航行比汽車安全。氣體燃料系統(tǒng)的各個(gè)部件，特別是接口部分，經(jīng)過嚴(yán)格檢查。所以，把CNG作為漁船主機(jī)燃料是可行的[10]。

2 漁船CNG-柴油雙燃料系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作原理簡介

由于天然氣的點(diǎn)火方式是點(diǎn)燃式，而點(diǎn)燃方式不是使用電火花塞點(diǎn)火，而是采用壓縮柴油燃燒，進(jìn)而引燃天然氣。但其功率控制方法卻又不像一般發(fā)動機(jī)通過節(jié)氣門控制混合氣量，而是通過改變天然氣供應(yīng)量來改變功率。因此工作原理與壓燃式的柴油機(jī)相似，改裝工作相對較為容易[11]。漁船主機(jī)上安裝CNG輸入裝置、油氣調(diào)控裝置、氣量精確控制裝置等。使用少量柴油作為“引燃燃料”，把CNG作為主要動力燃料，由柴油著火引燃天然氣工作。充分利用柴油機(jī)壓縮比較高等特點(diǎn)，同時(shí)也考慮天然氣抗爆強(qiáng)等特點(diǎn)。柴油點(diǎn)燃時(shí)所產(chǎn)生的熱量巨大，可以使著火穩(wěn)定，避免發(fā)動機(jī)熄火對。調(diào)節(jié)柴油與天然氣的比例，使得發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，油耗和污染物排放減少。

切換開關(guān)可以在CNG-柴油雙重燃料和單獨(dú)柴油這兩種方式間進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換，發(fā)動機(jī)主要工作在CNG-柴油模式下，根據(jù)漁船拖力和航速需求，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)油氣的比例，使得供應(yīng)能量能夠穩(wěn)定地與主機(jī)需求馬力匹配，只有當(dāng)氣罐內(nèi)氣量不足，或其他特殊情況，轉(zhuǎn)換到純柴油燃料模式下，安全到達(dá)漁港碼頭加氣站。由于CNG供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使得改裝工作容易進(jìn)行，便于推廣。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)主要有原柴油機(jī)模塊、CNG供氣系統(tǒng)模塊、雙燃料控制模塊。柴油機(jī)主體選擇玉柴YC6T船用柴油機(jī)作為改裝基礎(chǔ)，柴油機(jī)原型是高壓直噴柴油發(fā)動機(jī)。調(diào)節(jié)進(jìn)油管上的閾值，來調(diào)節(jié)供油量，柴油通過噴油嘴進(jìn)入氣缸內(nèi)，CNG通過減壓過濾后通過氣軌進(jìn)入各個(gè)油缸內(nèi)，通過混合器與進(jìn)氣管通入的空氣混合并抽入氣缸。發(fā)動機(jī)第一個(gè)沖程內(nèi)吸入空氣和噴入柴油；第二個(gè)沖程活塞壓縮將柴油點(diǎn)燃；第三個(gè)沖程，進(jìn)氣打開，吸入天然氣和空氣，由燃燒的柴油點(diǎn)燃，氣體燃燒膨脹推動活塞做功；第四個(gè)沖程，排氣管打開，尾氣排出，并進(jìn)行凈化和回收利用[12]。主機(jī)上安裝尾氣檢測裝置檢驗(yàn)尾氣中PM和氮氧化物含量，轉(zhuǎn)速傳感器測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，測量發(fā)動機(jī)輸出功率，通過ECU檢測各個(gè)傳感器的輸入值，控制天然氣和柴油的供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)最佳控制策略。并且系統(tǒng)安裝可燃?xì)怏w檢測裝置，檢測機(jī)艙內(nèi)氣體含量。

2.3 CNG供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CNG-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)是在原有柴油機(jī)基礎(chǔ)上安裝天然氣供氣系統(tǒng)，因此供氣系統(tǒng)是系統(tǒng)的重要組成部分。供氣系統(tǒng)總體由天然氣供氣噴氣模塊和噴氣適配調(diào)節(jié)裝置兩大部分組成。

CNG供氣系統(tǒng)由高低壓兩大模塊構(gòu)成。高壓系統(tǒng)由CNG氣瓶、電磁開關(guān)閥、人工開關(guān)閥、氣體壓力傳感器、電控調(diào)壓閥、一級主減壓閥、二級輔減壓閥等等；低壓模塊由濾清器、氣軌、電磁噴氣嘴等構(gòu)成。

天然氣從CNG儲氣瓶中流出，通過高壓調(diào)節(jié)電磁閥，再經(jīng)過減壓器減壓后，流經(jīng)低壓調(diào)節(jié)電磁閥，從天然氣噴射器中噴出，與增壓后的吸入空氣預(yù)混合，經(jīng)過柴油機(jī)進(jìn)氣門，混合氣體進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒。壓縮天然氣儲存在高壓儲氣罐中，罐內(nèi)壓力約為20 MPa，通過打開儲氣罐頂端的手動閥門和電磁開關(guān)閥，氣體流向高壓模塊，氣體壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測氣壓。通過兩級減壓器后，天然氣壓力變?yōu)?.1～0.8 MPa，然后進(jìn)入低壓模塊，天然氣中的水分及雜質(zhì)被濾清器濾掉，各缸的電磁噴氣嘴共同安裝在同一氣軌上，通過電磁噴氣嘴控制噴氣量，與增壓后的空氣預(yù)混合后經(jīng)進(jìn)氣門進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸進(jìn)行燃燒。

由于天然氣從高壓向低壓膨脹過程中吸收大量的熱量，可能產(chǎn)生“結(jié)冰”現(xiàn)象，導(dǎo)致部件中出現(xiàn)不能正常提供燃?xì)獾默F(xiàn)象。氣路需要用冷卻水系統(tǒng)來進(jìn)行加熱，保證工作時(shí)維持在規(guī)定范圍的溫度，防止出現(xiàn)“結(jié)冰”現(xiàn)象[13]。

圖1 CNG-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of CNG-Diesel dual fuel engine

3 雙燃料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 CNG-柴油雙燃料控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

雙燃料發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足漁民航海漁船操要求，控制系統(tǒng)自動化程度較高，滿足漁民實(shí)際簡易的操作需求?？傮w控制系統(tǒng)包括電子控制單元(Electronic Control Unit，簡寫ECU)、傳感器檢測系統(tǒng)、執(zhí)行裝置以及外圍附屬裝置組成。

控制系統(tǒng)采集并處理傳感器得到信號，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動機(jī)工況，通過MCU的分析運(yùn)算處理，確定雙燃料發(fā)動機(jī)各工況下的控制參數(shù)，通過電路輸出的控制信號使各個(gè)執(zhí)行裝置按照程序和算法設(shè)置運(yùn)作，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 控制硬件原理簡介

ECU是動力系統(tǒng)核心元件，它的主要功能是接收各種傳感器輸入信號，根據(jù)下載進(jìn)入芯片的控制程序和算法，進(jìn)行分析計(jì)算和邏輯判斷，控制發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下最優(yōu)組合的天然氣量和柴油量，并將控制信號傳輸給其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

駕駛艙內(nèi)油門傳感器測量所給的油門大小，反應(yīng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷狀況。切換開關(guān)可以在CNG-柴油雙燃料和純柴油兩種方式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。進(jìn)氣口內(nèi)空氣溫度傳感器和氧傳感器檢測輸入空氣品質(zhì)，通過氣門調(diào)節(jié)氣門大小，天然氣電磁噴氣頭將天然氣噴入管內(nèi)，并于空氣在混合器內(nèi)預(yù)混合，進(jìn)入氣缸內(nèi)[14]。通過控制步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)來旋動旋桿角度，實(shí)現(xiàn)對柴油的供應(yīng)量控制。發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)由安裝在凸輪軸和曲軸上的霍爾效應(yīng)式位置傳感器獲得位置的方波信號，根據(jù)程序計(jì)算出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速并確定各缸的相位。尾氣檢測器監(jiān)控尾氣的排放物組成，從而間接反映氣缸內(nèi)燃燒狀況。通過控制氣路上的閥門實(shí)現(xiàn)對天然氣的控制。為保證漁船運(yùn)行安全，對于天然氣系統(tǒng)中可能產(chǎn)生氣體泄漏或是氣體容易聚集的場所，均應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w探測警報(bào)裝置，以實(shí)時(shí)檢測漁船相關(guān)場所的氣體泄漏情況。

3.3 ECU總電路設(shè)計(jì)

根據(jù)雙燃料動力系統(tǒng)特殊要求，ECU采用ATmega 32芯片。ATmega 32是低功耗8位微控制器，數(shù)據(jù)吞吐率較高，因而可緩減芯片在功耗和運(yùn)算速度之間的矛盾，滿足發(fā)動機(jī)控制多位傳感器信號輸入。此芯片具有32個(gè)通用寄存器和豐富的指令集，能夠滿足雙燃料控制的內(nèi)存需求，適應(yīng)天然氣和油量的精確控制?？刂葡到y(tǒng)電路原理示意圖如圖3所示。

3.4 控制裝置軟件設(shè)計(jì)

圖2 雙燃料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of control systern

圖3 控制系統(tǒng)電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of control system

圖4 軟件流程圖Fig.4 Diagram of software flow

海上風(fēng)浪氣候復(fù)雜，加之漁船實(shí)際工況多變，若想提高漁船發(fā)動機(jī)的動力性，天然氣的噴射時(shí)刻和噴射量的精確控制是關(guān)鍵。ECU根據(jù)傳感器得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、節(jié)氣門開度以及進(jìn)氣溫度等參數(shù)，分析發(fā)動機(jī)的具體工作工況，然后從芯片存儲模塊中讀取與發(fā)動機(jī)實(shí)際工況相對應(yīng)的噴氣控制程序，并根據(jù)主機(jī)的反饋輸入信號進(jìn)行調(diào)整，使之在各種工況工作處于最佳狀態(tài)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性、動力性、排放三者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。最后由曲軸位置信號來決定氣體噴射閥的控制命令，從而完成缸內(nèi)燃燒的精確控制。本裝置采用高級語言C進(jìn)行控制軟件的開發(fā)，程序主要實(shí)現(xiàn)的功能和流程如圖4所示。

4 結(jié)論

通過對漁船主機(jī)上改裝CNG燃料系統(tǒng)，電控單元實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)各個(gè)工況的精確控制，改裝后節(jié)能降耗明顯，表明CNG-柴油機(jī)雙燃料動力系統(tǒng)在漁船上推廣價(jià)值巨大。

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