CN102588126B - 内河船舶柴油-lng双燃料发动机管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明为内河船舶柴油-LNG双燃料发动机管理系统，属于发动机控制领域。本系统与传统的靠控油方式获取替代率不同，通过在原内河船舶母体柴油机上增加中央管理系统、LNG供气与喷射系统、安全监测与处置系统和远程控制与信息系统，设计了纯柴油运行模式和柴油-LNG双燃料运行模式，发动机刚启动时采用纯柴油模式运行，当燃气系统开始做工，母体柴油机自动减少柴油供给，中央管理系统逐步增加天然气喷射量，通过采样计算转速波动率、空燃比及燃烧温度的动态数据，自动解析出最佳燃气替代率，实现实时最优控制，燃气替代率可达85％。可用于任何柴油掺烧天然气发动机的控制。

Description

内河船舶柴油-LNG双燃料发动机管理系统

技术领域

本发明涉及一种内河船舶柴油机改装成内河船舶柴油—LNG双燃料发动机的技术，同时涉及一种内河船舶柴油—LNG双燃料发动机控制领域，具体涉及一种内河船舶柴油—LNG双燃料发动机的中央管理系统。

背景技术

LNG安全性高，燃料能源密度大，是世界上产量增长最快的能源。有良好的节能环保效果，有良好的抗爆性，燃烧完全，不结碳，可提高热效率10%以上。资源丰富、经济性好，寿命提高，维修费减少，安全性好，由于密度小，一旦发生泄露，会很快在空中消失。

现在所运行的内河船舶大部分为纯柴油发动机，而纯柴油发动机燃油消耗比较高，运营成本相对较高，废气排放中污染物含量高，尤其是含有大量的硫化物、碳微粒和其它的一些粉尘杂质等等，这些污染物都有害于居民的健康。

专利“新型内河柴油—LNG双燃料混合动力船”（申请号 201020291238.1，公开号为201800907U），介绍了一种包括船体和动力系统的混合动力船，其动力系统包括柴油发动机、LNG储气罐和混燃控制系统，而该混燃控制系统的作用是将LNG储气罐中的LNG输送至发动机的进气管，从而降低排放，减少燃油消耗。其控制系统中的ECU控制单元根据传感器获得的发动机转速和负荷增加或减少的信号，控制燃油喷射量，并协调同步控制喷射到进气管道的天然气喷射量。

在专利“一种发动机油气混合ECU的控制方法”（申请号 200710118649.3，公开号为101105155）中，ECU通过对进气温度压力、水温、发动机转速、油门位置、氧传感器信号的采集，对喷油（气）量等精准控制；ECU对空燃比实行闭环控制，基于电子节气门扭矩控制的喷油量控制，实现空燃比和动力性的优化控制。

这些现有的专利中并没有对内河船舶柴油—LNG双燃料发动机给定一套完整的发动机中央管理系统，对发动机运行过程实现全程多方位监控，不便于发动机安全稳定地工作。

发明内容

本发明目的是制作一套内河船舶柴油—LNG双燃料发动机管理系统。该双燃料发动机管理系统的工作方式与传统的靠控油方式获取替代率不同。本系统通过理论创新，通过采样计算转速波动率、空燃比及燃烧温度的动态数据，自动解析出最佳天然气替代率，实现实时最优控制。其优点在于，无论被改装的柴油机状态（新旧、性能差异等）如何，本系统都能找到最合理的天然气替代率，并随着机器本身的老化自动调整替代率。

该系统实现方案如下：

该系统包括：中央管理系统、LNG供气与喷射系统、安全监测与处置系统和远程控制与信息系统。

中央管理系统包括：中央管理单元、控制线束、转速传感器、冷却水温传感器、油温传感器、机油压力开关、油泵断油电磁阀，油门手柄位置传感器、排气温度传感器、宽域氧传感器（空燃比传感器）、爆震传感器和熄火器。中央管理系统通过传感器采集发动机的运行数据，经过分析后计算出当前的喷气量，对喷气量的计算采用‘自学习’闭环控制，通过分析转速波动性、空燃比和排气温度的变化趋势综合计算出不同工况下的加气量限值，使天然气替代率达到该工况下的最大值。

LNG供给与喷射系统包括：储气罐、气罐电磁阀、液位传感器、气化器、天然气软管、一级减压阀、二级减压阀、集气体、喷气阀、断气阀、天然气压力传感器和天然气温度传感器；安装顺序依次为：储气罐—气化器一一级减压阀—二级减压阀—断气阀—集气体—发动机进气道，各部件之间通过天然气软管连接，喷气阀、天然气温度传感器和天然气压力传感器集成在集气体上，气罐电磁阀和液位电磁阀集成在储气罐上；中央管理系统通过LNG供给与喷射系统的集气体控制LNG喷射量。

远程控制与信息系统：人机界面通过CAN通信与中央管理单元相连，形成远程控制与信息系统。远程控制与信息系统能准确、实时地接收中央管理单元发送的信息；可通过人机界面对发动机工作模式（燃油或者掺烧）进行设置；当系统某部件出现故障时，可即时弹出警告窗口显示故障类型及处理办法；在停机模式下可对整个系统进行主动诊断测试，获得故障信息。

安全监测与处置系统包括可燃气体传感器和大功率风机，可燃气体传感器布置于发动机舱及储气罐四周。当中央管理系统通过可燃气体探测器发现环境中天然气浓度超过20%LEL时将控制风机启动进行通风；如果天然气浓度持续上升到40%LEL时中央控制器将切断天然气气阀，拉动熄火器紧急停车发动机。

本系统还将汽油机中广泛使用的PCV阀（Positive Crankcase Ventilation）技术引入，通过PVC阀将发动机曲柄箱渗串气体释放至进气管回收燃烧。

附图说明

附图1为柴油—LNG双燃料系统结构示意图

Ⅰ、母体柴油机

Ⅱ、LNG供气与喷射系统 

Ⅲ、安全监测与处置系统

Ⅳ、中央管理系统

Ⅴ、远程控制与信息系统

附图2为柴油-LNG双燃料发动机管理系统的布置图

1、中央管理单元  2、储气罐  3、气罐电磁阀  4、液位传感器  5、气化器

6、一级减压阀  7、二级减压阀  8、集气体  9、天然气温度传感器  10、天然气压力传感器  11、喷气阀  12、断气阀  13、油泵断油电磁阀14、熄火器  15、机油压力开关  16、爆震传感器  17、空燃比传感器（宽裕氧传感器） 18、冷却水温度传感器  

19、转速传感器  20、排气温度传感器  21、油门手柄位置传感器  22、油温传感器 

23、风机  24、风机反馈  25、风机驱动  26、 可燃气体传感器1  27、可燃气体传感器n  28、人机界面

附图3为PCV阀系工作图

29、曲轴箱  30、PCV单向阀  31、发动机进气道

具体实施方式

本发明专利内河船舶柴油—LNG双燃料混合动力发动机管理系统是在原来的内河船舶纯柴油母体发动机上改装而成的。

下面结合附图对本发明做出详细的说明。

如图1所示，在原来的内河船舶母体柴油机上Ⅰ上新增了中央管理系统Ⅳ、LNG供给与喷射系统Ⅱ、安全监测与处置系统Ⅲ和远程控制与信息系统Ⅴ。

当发动机刚启动时，中央管理系统控制发动机按纯柴油模式运行，并通过安全监测与处置系统对发动机舱进行可燃性气体浓度检查并进行通风换气。当发动机充分热机后，中央管理系统控制LNG供给与喷射系统向发动机提供天然气。通过各个系统的工作信息将在远程控制与信息系统上进行显示，方便操作人员进行观察与操作。当天然气系统开始做功时，母体柴油机的调速系统为了维持转速恒定会自动减少柴油供给量。中央管理系统会随着时间逐步增加天然气喷射量，同时监测发动机转速的波动率和温度、空燃比变化情况,,当转速波动率大于门槛值，或者温度和空燃比变化趋势出现拐点时，开始减气直到工况重新稳定，待稳定一段时间后，重复上述步骤。这样系统会不断在当前工况下寻找最优的天然气替代率，实现了“自学习”的过程。

转速波动率的测试方式：每隔一个发动机工作循环记录一次工作循环平均转速。将本次的平均转速减去上次的平均转速，再除以上次的平均转速，可得到转速的波动率。

排气温度和空燃比变化趋势拐点：在正常可加气的情况下，排温和空燃比正常的变化趋势是逐渐降低的，如果通过传感器监测到排温和空燃比在加气时出现值变大的情况，则认为排温和空燃比变化趋势已出现拐点。

下面以每个系统的具体实施展开描述：

中央管理系统

中央管理单元通过模块式组合集中调度和管理发动机控制、安全检测与处置系统以及远程控制与信息系统，通过安装在发动机上的传感器感知发动机的工况，并通过喷气阀控制进入发动机的LNG量以实现最优的柴油替代率。

中央管理单元控制LNG供给与喷射系统中喷气阀喷气的时间，脉宽，断气阀的开启关闭，监测天然气的温度和压力，达到LNG安全稳定供给，从内河船舶单一柴油燃料发动机成为内河船舶单柴油—LNG双燃料发动机；对原本母体柴油机所安装的以及在母体柴油机上所添加的传感器信号进行监测，计算分析给出各执行器的反馈调节信息，达到闭环控制；与远程控制与信息系统相连，可在驾驶舱内实施远程操控，大大改善了驾驶员操作环境。

LNG供气与喷射系统

当双燃料模式打开后，中央控制单元将控制气罐电磁阀、断气阀打开，天然气将从LNG储气罐中通过高压软管流出，经过气化器转化成气体后，由一级减压阀、二级减压阀进行减压和稳压处理，压力稳定的天然气气体将通过天然气软管和断气阀进入集气体中。中央管理单元通过喷气阀将计算出的天然气定量的喷射到进气道中。在集气体上安装天然气温度传感器和天然气压力传感器，旨在保证天然气安全供给，不会因为压力过高或过低导致不能正常供给。中央管理单元还通过液位传感器监测LNG的液位信号，并将液位信号换算成储气罐剩余气量供操作人员查看，当剩余气量低于标准值时，关闭双燃料模式功能。

安全监测与处置系统

当中央管理单元通过布置于发动机机舱及储气罐四周的可燃气体探测器发现环境中天然气浓度超过20%LEL时将控制风机启动进行通风；如果天然气浓度持续上升到40%LEL时中央管理单元将切切断天然气气阀，拉动熄火器紧急停车发动机，以保护发动机和防止天然气泄漏可能导致的危险。

机油压力开关可以当机油压力出现异常时将信号传送给中央管理系统，从而使发动机停机起到保护作用。

空燃比传感器（宽裕氧传感器）可以测量发动机运行时的空燃比。 

爆震传感器监测缸内爆震情况，当出现敲缸时，会将信号传给管理单元调节控制从而实现减少LNG供给的目的。  

冷却水温度传感器检测发动机运行过程中冷却水温度的变化，从而修正点火和喷油或者喷气脉冲。

排气温度传感器测量排气过程中的温度变化，与反馈的空燃比信息相结合从而             进行燃烧分析。

油门手柄位置传感器通过监测油门位置的变化，即时将信息输送给中央管理单元，中央管理单元通过对该信息和其他系统的信息运算处理，计算出控制信号，通过这样来调节节气门开度。

远程控制与信息系统 

中央管理系统需要处理大量的传感器信号参数并对众多的执行机构按照控制策略实施控制，其中许多信息需要进行人机互动，包括在驾驶舱对发动机进行操控、监测系统运行参数与安全状态以及对各种故障问题进行诊断。为方便发动机运行状态的检测和发动机运行参数的设置，采用了基于人机界面的远程控制与信息系统，人机界面和中央管理单元之间通过CAN总线进行通信，人机界面显示如转速、水温、油温、排温、当前气耗量等发动机信息；出现故障时将弹出故障显示界面以提醒操作人员；操作人员可以通过人机界面控制发动机单燃料或多燃料模式，也可以控制发动机的停机。通过中央管理单元该系统可在两台主机系统之间任意转换，同时能切换多个功能界面，大大减轻了劳动强度及噪声的污染。通过分级密码，可运用该系统对发动机各项运行参数及故障进行历史数据查阅和标定。

附图3是PCV阀系统，引入汽油机中广泛使用的PCV阀（Positive Crankcase Ventilation）技术，当曲轴箱中的压力升高达到一定程度的时候，PCV单向阀将打开，通过PCV单向阀使得曲轴箱中的燃油蒸气进入进气管中，进行回收再燃烧。通过PCV阀将发动机曲柄箱渗串气体释放至进气管回收燃烧，提高天然气利用率，降低排放。

对于双机船舶，采用两套中央管理系统通过CAN总线组网，在一台中央管理系统发生故障的情况下，另一台中央管理系统可以接管配套的安全监控功能，提高了系统的安全管控可靠性。

本发明专利，提供了一套燃料控制系统中的天然气控制部分完全独立于双燃料发动机的柴油系统，实现兼顾动力性和可靠性获取最优燃料经济性的目的，降低了排放，燃气替代率可达85%左右。通过对中央管理系统的布置，使得升级后的内河船舶发动机的安全性能得到保障，而且可以对发动机的人工—智能控制。

     本发明不局限于上述最佳的实施方式，任何人应该在得知本发明的启示下做出的变化，凡是与本发明具有相同或相似的技术方案的，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.内河船舶柴油-LNG双燃料发动机管理系统，包括母体柴油机，加装在母体柴油机上的中央管理系统、LNG供气与喷射系统、安全监测与处置系统和远程控制与信息系统，中央管理系统通过安全监测与处置系统的人机界面显示故障信息提醒工作人员，中央管理系统采集传感器数据后经分析计算通过LNG供给与喷射系统的集气体控制LNG喷射量，其特征是，在停机模式下远程控制与信息系统对整个系统进行主动诊断测试；中央管理系统通过安全监测与处置系统感知环境中的天然气浓度并实施通风、断气和停机，该系统具有如下运行模式：

A、       当发动机刚启动时，中央管理系统控制发动机按纯柴油模式运行，并通过安全监测与处置系统对发动机舱进行可燃性气体浓度检查并进行通风换气；

B、       当发动机充分热机后，中央管理系统控制LNG供给与喷射系统向发动机提供天然气，随着天然气系统做功，母体柴油机的调速系统为了维持转速恒定自动减少柴油供给量，中央管理系统随时间逐步增加天然气喷射量，同时监测发动机转速波动率、排气温度和空燃比变化情况，当转速波动率大于门槛值，或者排气温度和空燃比变化趋势出现拐点时，开始减气直到工况重新稳定，然后重复上述步骤，不断获取当前工况下最优燃气替代率；排气温度和空燃比变化趋势拐点判断依据为：在正常可加气的情况下，排温和空燃比正常的变化趋势是逐渐降低的，如果通过传感器监测到的排气温度和空燃比在加气时值变大，则认为排气温度和空燃比变化趋势出现拐点。 

2.如权利要求1所述的柴油-LNG双燃料发动机管理系统，其特征在于LNG供给与喷射系统包括：储气罐、气罐电磁阀、液位传感器、气化器、天然气软管、一级减压阀、二级减压阀、集气体、喷气阀、断气阀、天然气压力传感器和天然气温度传感器，其安装顺序依次为：储气罐—气化器— 一级减压阀—二级减压阀—断气阀—集气体—发动机进气道，各部件之间通过天然气软管连接，喷气阀、天然气温度传感器和天然气压力传感器集成在集气体上，气罐电磁阀和液位传感器集成在储气罐上；中央管理系统通过喷气阀将计算出的天然气定量的喷射到进气道中。

3.如权利要求1所述的柴油-LNG双燃料发动机管理系统，其特征是，安全监测与处置系统包括：可燃气体传感器和风机，可燃气体传感器布置于机舱及储气罐四周，当中央管理系统通过可燃气体传感器发现环境中天然气浓度超过20%LEL时将控制风机启动进行通风；如果天然气浓度持续上升到40%LEL时中央控制器将切断天然气气阀，拉动熄火器紧急停车发动机。