基于硬件在環(huán)的船用中速雙燃料發(fā)動機控制策略研究

王立峰 王秀強 吳貝貝 從田增 蘇明濤 衣金水

摘要：

近年來，國際對于環(huán)境污染管控越來越嚴格。為了降低船舶造成的環(huán)境污染，國際海事組織制訂了船舶航行的排放法規(guī)，對于NOx的排放限值愈加嚴格。在此背景下，船舶應(yīng)用雙燃料發(fā)動機技術(shù)無論是在控制污染物排放方面還是在控制運營成本的角度來說都有巨大的發(fā)展前景。本文以船用中速雙燃料發(fā)動機為研究對象，對基于硬件在環(huán)和虛擬雙燃料發(fā)動機實時仿真模型的控制策略進行了進一步研究。

關(guān)鍵詞：

硬件在環(huán)仿真;雙燃料發(fā)動機;控制策略

中圖分類號：

U664.1

文獻標(biāo)識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0049-01

隨著國際環(huán)境污染的趨勢愈發(fā)嚴峻，船舶作為一種重要的交通工具，也是交通污染的重要污染源之一。對此，很多國家也開始研究該如何降低船舶污染。有研究表明，使用天然氣作為清潔燃料，以電控單體泵為基礎(chǔ)的雙燃料發(fā)動機，NOx和CO2排放量均得到了大大的降低。對此，需要相關(guān)企業(yè)及研究人員對其控制策略進行進一步的鉆研與探索，以進一步促進基于硬件在環(huán)的船用中速雙燃料發(fā)動機在我國船舶中的應(yīng)用及發(fā)展。

1對于啟動及停車的控制

1.1啟動。雙燃料發(fā)動機正常啟動前需判斷各部分是否滿足啟動條件，檢測的內(nèi)容包括：啟動鎖定、燃氣是否泄露、預(yù)供滑油壓力、停車或緊急停車信號有效等。壓縮空氣按照雙燃料發(fā)動機發(fā)火順序在膨脹行程充入氣缸推動活塞運動，在規(guī)定時間內(nèi)若達到最低啟動轉(zhuǎn)速并實現(xiàn)自行發(fā)火則繼續(xù)啟動流程;否則，發(fā)出啟動失敗的報警信號。主燃油噴射系統(tǒng)及共軌微引燃噴射系統(tǒng)均開始噴油后，需要確保天然氣供給系統(tǒng)關(guān)閉，并檢測天然氣壓力、溫度等參數(shù)是否正常。

1.2停車。雙燃料發(fā)動機接收到正常停車信號后，系統(tǒng)減少燃料供應(yīng)，轉(zhuǎn)速降低至怠速，發(fā)動機空載，控制器發(fā)出信號切斷全部燃料供應(yīng);接收到緊急故障停車信號后，控制器立即停止全部燃料噴射及供應(yīng)，轉(zhuǎn)速逐漸降低至0。

2雙燃料模式切換控制

2.1柴油至燃氣模式切換條件。當(dāng)船用中速雙燃料發(fā)動機運行在柴油模式時，雙燃料發(fā)動機由電控單元LCECU06DA直接控制。系統(tǒng)由柴油模式切換至燃氣模式的前提條件是雙燃料發(fā)動機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在（472+△n）r/min（約25%負荷）的時間超過20s，若轉(zhuǎn)速在指定時間內(nèi)的波動超過這個范圍則認為雙燃料發(fā)動機非穩(wěn)定狀態(tài)，不能進行模式切換，需要繼續(xù)等待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

2.2柴油切換至燃氣工作模式。雙燃料發(fā)動機啟動時為柴油模式，缸內(nèi)燃料為純柴油。當(dāng)雙燃料發(fā)動機滿足模式切換條件時，電控單元LCECU06DB手動產(chǎn)生柴油模式切換至燃氣模式的切換信號DToG，計時器Timer1開始計時T1，燃氣量從0開始逐漸增加，并與Timer1呈線性關(guān)系。此時，由于電控單元LCECU06DA的作用，在等待約10個工作循環(huán)即T1=3s之后柴油量逐漸減少至設(shè)定值X。在此過程中，雙燃料發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在切換開始的轉(zhuǎn)速472r/min左右。控制器根據(jù)齒條位置信號檢測到柴油量設(shè)定值X時，系統(tǒng)生成柴油停噴信號Enable，天然氣量的輸出保持恒定，雙燃料發(fā)動機由電控單元LCECU06DB完全控制，此時標(biāo)志柴油至燃氣模式切換完成。

2.3燃氣切換至柴油工作模式。雙燃料發(fā)動機工作在燃氣模式時，缸內(nèi)燃料除了微量的柴油用作引燃之外，其它均為天然氣。當(dāng)雙燃料發(fā)動機負荷減小至25%負荷以下時，電控單元LCECU06DB自動產(chǎn)生切換信號GToD;當(dāng)雙燃料發(fā)動機遇到故障或其他特定情況時，電控單元LCECU06DB手動產(chǎn)生切換信號GToD。系統(tǒng)檢測到切換信號GToD后，需從燃氣模式切換至柴油模式，計時器Timer2開始計時T2，燃氣量從當(dāng)前值開始逐漸減少至0，并與Timer2呈線性關(guān)系。此時，雙燃料發(fā)動機再次受電控單元LCECU06DA控制，柴油量從設(shè)定值X逐漸增加至燃氣量為0，并使雙燃料發(fā)動機維持在當(dāng)前轉(zhuǎn)速，標(biāo)志燃氣至柴油模式切換完成。

3燃氣噴射控制

燃氣噴射的控制主要包括三個部分，即噴射正時、噴射脈寬和噴射壓力。噴射正時即噴射提前角，表征發(fā)動機在某一工作循環(huán)中燃料起始噴射的時刻，一般以壓縮上止點為基準(zhǔn);噴射脈寬和噴射壓力是相對于每循環(huán)燃料的噴射量而言的，這些對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性的影響很大。

對于船用中速雙燃料發(fā)動機型船用雙燃料發(fā)動機來說，噴射部分的執(zhí)行機構(gòu)為燃氣噴射閥LCQ2D20H50，根據(jù)該型閥的技術(shù)資料可查，當(dāng)某個時刻系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定時，進氣溫度、燃氣噴射閥前后壓差可確定，燃氣噴射閥全開后天然氣的質(zhì)量流量即可計算出來。當(dāng)燃氣質(zhì)量流量確定后，可根據(jù)每循環(huán)燃氣量計算出天然氣的噴射脈寬，轉(zhuǎn)化為該轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)，最后能估算出該工況下的噴射提前角大致范圍。為了更好的減小計算值與實際值的偏差，在實際的應(yīng)用中，各工況下的噴射提前角及噴射脈寬會通過臺架試驗標(biāo)定獲得，并以MAP的形式存儲在控制器內(nèi)部。噴射脈寬MAP的輸入為燃氣噴射壓差與每循環(huán)燃氣量，輸出即為該工作循環(huán)噴射脈寬的基礎(chǔ)值，燃氣溫度作為修正因素之一;噴射提前角MAP的輸入為每循環(huán)燃氣量和雙燃料發(fā)動機當(dāng)前轉(zhuǎn)速，輸出即為該工作循環(huán)噴射提前角的基礎(chǔ)值，燃氣溫度作為修正因素之一。

4總結(jié)

基于硬件在環(huán)仿真平臺的船用中速雙燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)是驗證雙燃料發(fā)動機仿真模型和控制策略開發(fā)的必要環(huán)節(jié)，研究基于硬件在環(huán)的船的啟動停車、雙燃料模式切換以及燃氣噴射控制策略具有重要的理論意義和工程應(yīng)用指導(dǎo)價值。

參考文獻：

[1]高先理.船用雙燃料發(fā)動機電液聯(lián)控多點噴射系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].山東大學(xué)，2019.

[2]吳悅.基于硬件在環(huán)的船用中速雙燃料發(fā)動機控制策略研究[D].武漢理工大學(xué)，2016.