船用雙燃料發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的設(shè)計

呂 青

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

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船用雙燃料發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的設(shè)計

呂 青

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

本文通過對雙燃料發(fā)動機(jī)特點(diǎn)及改裝方案的論述，闡述了如何通過對發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的合理設(shè)計，提高雙燃料發(fā)動機(jī)燃料熱效率。

雙燃料發(fā)動機(jī)；電子控制器；噴射量

隨著國際海事組織(IMO)排放標(biāo)準(zhǔn)的限制，降低發(fā)動機(jī)的尾氣排放已成為了人們必須解決的問題。以液化天然氣(LNG)作為發(fā)動機(jī)燃油的替代燃料引起了船舶運(yùn)輸行業(yè)的極大的關(guān)注，船舶柴油/LNG雙燃料發(fā)動機(jī)的研究有著重要的社會價值和深遠(yuǎn)的意義。綠色航運(yùn)、綠色船舶的理念已深入人心，逐漸成為了人們的共識，這也是現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然結(jié)果。如何在原柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，將柴油機(jī)改造成柴油/LNG雙燃料發(fā)動機(jī)，而且還能將燃料的熱效率發(fā)揮到最高,這已成為這個課題的研究方向。

1 氣體發(fā)動機(jī)的分類

按燃料的性質(zhì)來劃分可將發(fā)動機(jī)分為三種類型：單一燃料類型、兩用燃料類型和雙燃料類型。單一氣體燃料類型的發(fā)動機(jī)就是只能用一種固定類型燃?xì)獾陌l(fā)動機(jī)，它的工作原理類似于汽油機(jī)，在原來氣缸蓋燃油噴射的位置將噴油器改裝成火花塞，對氣缸缸蓋、活塞、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)也需要進(jìn)行改造，所以改動程度比較大，改裝過程復(fù)雜，而且改裝的成本費(fèi)用也非常高，在現(xiàn)在的技術(shù)條件下基本已經(jīng)不適用了。兩用燃料類型的發(fā)動機(jī)是在原機(jī)的基礎(chǔ)上，維持原發(fā)動機(jī)中的燃油供應(yīng)管路不變，在機(jī)體上另外再重新增加一套燃?xì)夤?yīng)管路，形成燃油供應(yīng)管路和氣體燃料供應(yīng)管路兩個相互孤立的系統(tǒng)單元，兩個管路互不干擾，互不影響，但該類型的發(fā)動機(jī)有很大的一個缺點(diǎn)，就是只能使用其中的一種燃料來燃燒做功，發(fā)動機(jī)的氣缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)、燃燒壓縮比、噴油嘴、點(diǎn)火器等方面,這兩種燃燒不能同時滿足，最后使得每一種燃料都不能發(fā)揮它的最佳燃燒性能。雙燃料類型的發(fā)動機(jī)，該類型的發(fā)動機(jī)也是在維持原機(jī)基本結(jié)構(gòu)的條件下。僅僅增加了一套燃?xì)夤?yīng)管路，不改變原發(fā)動機(jī)的燃油供應(yīng)管路以及發(fā)動機(jī)的壓縮比，其燃料供給系統(tǒng)和兩用燃料發(fā)動機(jī)相類似，但是它不需要火花塞點(diǎn)火裝置，也不需要對發(fā)動機(jī)的其它部分進(jìn)行修改，而是采用燃油微引燃技術(shù)，用噴入氣缸里的燃油壓燃釋放的能量來點(diǎn)燃?xì)怏w燃料，在發(fā)動機(jī)運(yùn)動時可以根據(jù)實(shí)際需要在兩種燃料之間進(jìn)行自由選擇，并且可以同時使用兩種燃料混合燃燒運(yùn)行，它能兼顧兩種燃料的燃燒性能。雙燃料發(fā)動機(jī)是氣體燃料在發(fā)動機(jī)上使用的最主要方式，雙燃燒發(fā)動機(jī)可以使用像天然氣等這樣的綠色燃料，改善了現(xiàn)有柴油機(jī)排放噪音等多方面的問題，正得到廣泛推廣。

2 雙燃料發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)

就發(fā)動機(jī)本身而言，氣態(tài)燃料的使用可以在很大程度上降低其內(nèi)部活塞與氣缸壁的磨損，減少發(fā)動機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)頻率，延長發(fā)動機(jī)的工作年限。天然氣可以與空氣比較均勻的混合，易于形成均勻的可燃性混合物，各缸內(nèi)的噴射量可通過電子控制單元來調(diào)節(jié)，使天然氣和空氣的比例達(dá)到最優(yōu)值，能使氣缸內(nèi)的燃料進(jìn)行比較充分的燃燒，同時也有利于稀薄混合氣體的燃燒。使用天然氣與使用液態(tài)燃料不同，它不需要高壓油泵和噴油器等這些高度精密的噴油設(shè)備，也不需要液體燃料霧化處理裝置，不必對燃料進(jìn)行噴射加工處理，只需要準(zhǔn)時定量噴射就可以，沒有過多的工序處理。但由于過多地噴入氣態(tài)燃料，會造成氣體燃料燃燒不充分，因此要對氣體量的控制非常準(zhǔn)確，設(shè)計合理的控制策略。與液體燃料相比，天然氣在燃燒室內(nèi)形成混合物時，混合氣體占有氣缸的體積比柴油的相對要多，影響了進(jìn)入氣缸的壓縮空氣量，這對發(fā)動機(jī)的燃燒也是非常不利的。對雙燃料發(fā)動機(jī)來說，氣體燃料的供應(yīng)方式一般分為兩種：利用混合器混合的方式和利用電子噴射閥噴射的方式，利用混合器混合的方法就是利用混合器的前后氣壓來檢測，檢查前后壓差來進(jìn)行控制，然后去調(diào)節(jié)氣流閥的開度，不斷地為每個氣缸供應(yīng)燃?xì)猓皇抢没旌掀鞣▽杖急鹊目刂撇皇呛芫_，并不能達(dá)到理想的效果。利用電子噴射閥噴射的方法可以在運(yùn)行程序中對燃?xì)鈬娚涞亩亢投〞r可以精確控制，并可準(zhǔn)確判斷噴射始點(diǎn)，以及燃?xì)膺M(jìn)排門的時刻在活塞上止點(diǎn)。在氣缸壓縮比較高以及壓縮終點(diǎn)噴射的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)上，主要使用高壓噴射的供應(yīng)方法，這樣就可以得到更高的燃料供給量和延續(xù)時間較短的燃?xì)夤?yīng)時間。

柴油天然氣發(fā)動機(jī)點(diǎn)火方式是采用微量柴油引燃技術(shù)，液化天然氣經(jīng)氣化后，在活塞的壓縮行程中和空氣一起噴入氣缸內(nèi)，由微量柴油來引燃混合可燃?xì)怏w。只是它不需要另外在氣缸蓋上加裝點(diǎn)火裝備，原來發(fā)動機(jī)壓縮發(fā)火的過程不變，也不要加其它的輔助裝置。該系統(tǒng)并不需要對原機(jī)進(jìn)行很大結(jié)構(gòu)方面的改動，而且它有兩種運(yùn)動模式，既有純柴油運(yùn)動模式，也有柴油天然氣雙燃料運(yùn)行模式。在天然氣不充足的情況下，非常方便地恢復(fù)原機(jī)使用純柴油的工作模式。目前這種改裝方式是柴油機(jī)的一個重要方向，因此以壓燃方式點(diǎn)火的雙燃料發(fā)動機(jī)，相比與原火花塞點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢：

(1)能發(fā)揮兩種燃料各自的燃燒性能，其熱效率高，不改變原柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)。

(2)不改變原機(jī)的發(fā)火方式，而且相比于火花塞火花放出的熱量，微量燃油燃燒放出地?zé)崃恳?，可以使氣缸?nèi)的可燃混合物快速地點(diǎn)火燃燒，燃燒時停留在滯然斯的時間也會更短。

(3)可以加快天然氣燃燒火焰的傳播速度，因為微量柴油的燃燒易于形成多個點(diǎn)火源，可以同時在多個區(qū)域范圍內(nèi)引然天然氣，缸內(nèi)天然氣充分燃燒需要的時間更短，這樣可以提高發(fā)動機(jī)的動力性，天然氣與空氣的混合更均勻，燃燒更充分，更容易實(shí)現(xiàn)比較稀薄的燃燒。

(4)需要改變的柴油機(jī)結(jié)構(gòu)非常小，大部分雙燃料發(fā)動機(jī)所用的引燃柴油都是基于原柴油機(jī)的燃油供應(yīng)管路，而沒有另外增設(shè)供油設(shè)備，僅僅增加一套天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，就可以將原機(jī)改成雙燃料發(fā)動機(jī)，保留原機(jī)的各個單元，只是附加一路燃?xì)夤?yīng)管路和控制線路，最大程度地減低了改造成本費(fèi)用，這樣的改裝和維修都比較方便。

(5)雙燃料發(fā)動機(jī)可以運(yùn)行在純柴油模式，也可以運(yùn)行在雙燃料模式，在發(fā)動機(jī)啟動和氣體燃料不充足時就可以運(yùn)行在純柴油工作模式。

3 雙燃料發(fā)動機(jī)的電子控制系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的構(gòu)思和設(shè)計是根據(jù)傳統(tǒng)柴油機(jī)的工作和熱量轉(zhuǎn)換原理，以此理論原理為支持，設(shè)計系統(tǒng)的運(yùn)行和控制算法。不改變發(fā)動機(jī)的物理結(jié)構(gòu)，也不改變冷卻管路、滑油管路、燃油管路、進(jìn)氣管路和排氣管路等系統(tǒng)的零部件，保證用壓縮燃燒的方式來給燃料點(diǎn)火。將天然氣供應(yīng)管路連接在原來壓縮空氣的進(jìn)氣管路上，而且還需要把天然氣和以前的燃油結(jié)合一起控制。氣缸中除去高壓空氣外，其它的燃料由柴油的霧化燃燒改變了霧化的柴油燃燒，再由天然氣燃燒的兩種燃料混合型燃燒。根據(jù)各種磁電傳感器和溫度傳感器實(shí)時測得的信號，輸入到電子控制系統(tǒng)中，在電子控制系統(tǒng)中經(jīng)過信號分析處理，來判斷發(fā)動機(jī)的工作狀況，發(fā)出信號對噴入氣缸的天然氣量、柴油量和空氣量進(jìn)行控制，通過調(diào)整各種燃料量，使發(fā)動機(jī)在最優(yōu)條件下工作運(yùn)行。存儲在儲氣罐中的高壓液化天然氣，經(jīng)過截止閥和減壓閥降壓處理，在經(jīng)過熱交換器的水槽汽化，冷卻的液化天氣與水進(jìn)行熱交換，在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的溫度為二十多度，而液化天然氣的溫度為零下一百多度，通過水槽中的管路與水進(jìn)行熱交換，可以使液化天然氣被汽化，形成高壓的天然氣蒸汽。在壓縮上止點(diǎn)噴入的少量柴油使其自燃，柴油自燃釋放的熱量去引燃?xì)飧字械幕旌先細(xì)?，并與其混合燃燒，推動活塞運(yùn)動做功。本系統(tǒng)通過電子轉(zhuǎn)換按鈕，在純柴油運(yùn)行模式與雙燃料運(yùn)行模式之間進(jìn)行模式的自由轉(zhuǎn)換。

設(shè)計是將電子控制技術(shù)與具有特殊管路的燃?xì)?柴油混合器技術(shù)的完美結(jié)合。在很大程度上簡化了柴油/LNG雙燃油發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)，使其不必進(jìn)行大量復(fù)雜的精確計算，就可通過實(shí)驗很容易的調(diào)節(jié)柴油燃?xì)獾谋壤?，確保雙燃料發(fā)動機(jī)動力性能所需的各種燃料量，調(diào)節(jié)天然氣體量和柴油量，可以保證電子控制系統(tǒng)控制算法高效的運(yùn)行，保證了機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)延時滯后性得到最大程度的降低，體現(xiàn)出電子控制的獨(dú)特優(yōu)勢。使用電子控制器，可以減低建造的成本，不必使用那些昂貴的儀器，將控制流程置于芯片的處理器中，就可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，而且精度非常高，沒有人工的參與，保證實(shí)時動作，實(shí)時性非常強(qiáng)，沒有延時，調(diào)節(jié)快速準(zhǔn)確。

電子控制器的噴氣技術(shù)手段是氣體燃料發(fā)動機(jī)巨大優(yōu)勢中的一種形式，對噴射量的控制也會更加準(zhǔn)確。這種控制方法可以充分發(fā)揮雙燃料發(fā)動機(jī)上各自燃料具有的燃燒排放性能，對燃料的噴射量控制也可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

因為微柴油點(diǎn)火引燃技術(shù)的改變，由于天然氣的自燃點(diǎn)比柴油要高很多，發(fā)動機(jī)采用柴油運(yùn)行時，只需要?dú)飧椎膲嚎s就可以使柴油自燃而燃燒，但是天然氣卻不行，在氣缸內(nèi)壓縮天然氣時不能使其自然，因此需要先噴入微量的柴油，活塞在壓縮行程會使氣缸內(nèi)的溫度達(dá)到柴油的自燃點(diǎn)，柴油自燃釋放的熱量又會使氣缸內(nèi)的溫度升高，使缸內(nèi)的溫度升高到天然氣的著火點(diǎn)，從而去引燃?xì)飧變?nèi)被噴入的天然氣可燃物。以這種微量柴油來作點(diǎn)火器功效的技術(shù)，是以天然氣作為發(fā)動機(jī)運(yùn)行是的主要燃料，而噴入的少量柴油只起到升高氣缸內(nèi)溫度的作用。

噴射天燃?xì)鈺r對天燃?xì)獾膲毫Σ]有強(qiáng)制的標(biāo)準(zhǔn)，唯一的限制條件是天然氣量要充足。當(dāng)天然氣供應(yīng)管路中有足夠的天然氣時，電子控制器就可以使發(fā)動機(jī)選擇運(yùn)行在雙燃料模式，具有實(shí)時通信和監(jiān)控功能的電子控制器，可以通過傳感器獲取工況信號，不斷的檢測得到需要發(fā)動機(jī)的各種信號，在電子控制器中經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，就可以得到發(fā)動機(jī)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，這些參數(shù)在電子控制單元里處理后，就會根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況，發(fā)生控制信號命令，對噴入氣缸的天然量以及控制量進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)天然氣的進(jìn)氣量，實(shí)現(xiàn)天然氣自身的充分燃燒，保證充分發(fā)揮燃料各自的特性。這樣的調(diào)節(jié)充分發(fā)揮了電子控制器的集成化特點(diǎn)，將控制邏輯和參數(shù)調(diào)整等功能集于一體，不需要外部額外的附加設(shè)備。

4 結(jié) 語

該設(shè)計實(shí)現(xiàn)了天然氣的多點(diǎn)順序噴射的精確控制。設(shè)計核心是一個液化天然氣供應(yīng)和一個電子控制噴射系統(tǒng)。其中，天然氣供應(yīng)系統(tǒng)中采用電子噴射閥來控制氣體噴射，電子控制系統(tǒng)是以天然氣的噴射量為控制核心的。它能夠比較精確控制天然氣的噴射量，通過對電子噴射閥時間的控制調(diào)節(jié)，來調(diào)節(jié)天然氣噴射量，從而實(shí)現(xiàn)改變?nèi)加偷奶娲?，最終使雙燃料發(fā)動機(jī)達(dá)到最佳的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。對噴氣實(shí)行電子控制，這樣使得雙燃料發(fā)動機(jī)燃料的經(jīng)濟(jì)性能得到改善，熱效率得到提高，排放性能也得到改善，對噴射提前角和噴射壓力的選擇也會更加合理和準(zhǔn)確，加快了燃料燃燒的速度和保證了燃燒時的穩(wěn)定性。

1 高青，李虎，梁寶山等.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)電控噴氣技術(shù)研究[J].汽車工程，2000(6)

2 董健，高孝洪等.柴油/LPG發(fā)動機(jī)的雙燃料供給系統(tǒng)[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2001(2)

3 王雪瑜，朱行健.燃?xì)廨啓C(jī)工作原理及性能[M].科學(xué)出版社出版，1992

4 金峰.柴油/CNG雙燃料電子控制系統(tǒng)研究[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003(4)

(責(zé)任編輯：譚銀元)

On Electronic Control System Designing for Marine Dual Fuel Engine

LV Qing

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

Based on the characteristics of dual-fuel engine and the modified scheme, this paper explains ways of improving the thermal efficiency of the dual-fuel engine fuel through the reasonable design of engine electronic control system.

dual-fuel engine; electronic control system; injection amount

2014-11-12

呂 青，女，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計與制造方面的教學(xué)和科研工作。

U664.1

A

1671-8100(2015)03-0017-03