CN103899424A

CN103899424A - 一种船舶双燃料发动机调速系统及调速方法

Info

Publication number: CN103899424A
Application number: CN201410117081.3A
Authority: CN
Inventors: 宋恩哲; 刘庆伟; 丁顺良; 姚崇; 孙军
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明的目的在于提供一种船舶双燃料发动机调速系统及调速方法，该调速系统使用该方法实现对船舶柴油机的调速控制。双燃料模式下，采用转速闭环计算发动机每循环所需的当量燃料喷射量，再查询燃油燃气分配比MAP图分配给燃油和燃气，最后控制器控制供油量调整执行器和燃气喷射执行器实现给定燃油量和给定燃气量的喷射。其中，燃油燃气分配比MAP图有稳态工况和动态工况之分。本发明在原有的船舶柴油机上改装形成，无需对燃油系统进行机械改动，能快速消除发动机转速偏差。双燃料模式下，发动机加载不熄火，卸载不超速，动态响应快速，低负荷稳定运行。较原柴油机节能减排效果明显。

Description

一种船舶双燃料发动机调速系统及调速方法

技术领域

本发明涉及的是一种船舶柴油机，具体地说是船舶柴油机的调速装置及调速方法。

背景技术

石油资源的日益枯竭导致柴油价格的不断上涨和柴油机的排放导致环境污染的日益严重已经成为制约柴油机发展和应用两大技术难题。在所有石油替代燃料中，天然气因其储量丰富、价格低廉、燃烧清洁等优点，被当今世界认为是最理想的石油替代燃料。船舶发动机采用柴油/液化天然气（LNG）双燃料不仅可以节约柴油消耗、降低船舶运营成本，而且能够大幅度降低有害物排放，因此发动机采用柴油/LNG双燃料是实现能源多元化战略和节能减排的理想替代燃料。双燃料发动机已成为能源领域的研究热点和重要课题。

柴油/LNG双燃料发动机可以工作在纯柴油和双燃料（燃油和燃气）两种运行模式。在双燃料模式运行时，柴油主要起引燃燃气的作用，发动机容易发生加载熄火、卸载超速、动态响应迟缓、低负荷和切换过程运行不稳定等问题。因此，在各工况下保证双燃料发动机既可靠燃烧又实现高的燃油替代率是双燃料发动机调速系统的最重要的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供在现有船舶柴油机基础上进行改装的一种船舶双燃料发动机调速系统及调速方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船舶双燃料发动机调速系统，包括船舶柴油机、控制器、喷油泵、齿条位置传感器、供油量调整执行器、冷却水温传感器，其特征是：还包括气轨、燃气喷射执行器、燃气喷嘴，气轨、燃气喷射执行器、燃气喷嘴依次相连，燃气喷嘴设置在船舶柴油机的进气歧管内进气门处，正对船舶柴油机的飞轮齿圈位置处安装曲轴转速传感器，正对船舶柴油机的喷油泵凸轮轴位置处安装上止点位置传感器，齿条位置传感器和供油量调整执行器集成一体并安装在喷油泵上，采集并控制喷油泵的齿条位置，气轨上安装天然气压力和温度一体式传感器，船舶柴油机的进气总管上安装空气温度和压力一体式传感器，船舶柴油机的排气总管上安装排气温度传感器，曲轴转速传感器、上止点位置传感器、天然气压力和温度一体式传感器、空气温度和压力一体式传感器以及排气温度传感器连接控制器的输入端，控制器的输出端连接供油量调整执行器和燃气喷射执行器。

本发明一种船舶双燃料发动机调速系统还可以包括：

1、燃气喷嘴与进气门之间的距离为0-15厘米，从而实现燃气的准缸内直喷。

本发明一种船舶双燃料发动机调速方法，其特征是：

发动机起动时，采用纯柴油模式；

通过控制器计算设定转速与曲轴转速传感器反馈的船舶柴油机实际转速的差，得到转速偏差，将转速偏差经过转速闭环PID计算，再经过避免计算结果大于最大当量燃料喷射量或小于最小当量燃料喷射量的限制环节，得到当量燃料喷射量；

若得到的当量燃料喷射量小于或等于引燃油量与最小可控燃气喷射量之和，则将当量燃料喷射量全部分配给燃油，船舶柴油机工作在纯柴油模式，控制器根据燃油的喷射量向供油量调整执行器输出控制信号控制喷油泵的齿条位置；

若得到的当量燃料喷射量大于引燃油量与最小可控燃气喷射量之和，则当量燃料喷射量分配为燃油喷射量和燃气喷射量，控制器继续判别转速偏差：如果转速偏差的绝对值小于或等于动稳态工况转速偏差临界值，查询稳态工况的燃油燃气分配比MAP图，获得当前燃油喷射量和燃气喷射量，向供油量调整执行器和燃气喷射执行器输出控制信号，控制喷油泵的齿条位置和燃气喷射执行器的喷射脉宽；如果转速偏差的绝对值大于动稳态工况转速偏差临界值，则查询动态工况的燃油燃气分配比MAP图，获得当前燃油喷射量和燃气喷射量，向供油量调整执行器和燃气喷射执行器输出控制信号，控制喷油泵的齿条位置和燃气喷射执行器的喷射脉宽。

本发明一种船舶双燃料发动机调速方法还可以包括：

1、当转速偏差的绝对值小于或等于动稳态工况转速偏差临界值时，将通过稳态工况的燃油燃气分配比MAP图获得的燃油喷射量和燃气喷射量经天然气压力和温度一体式传感器、空气压力和温度一体式传感器、冷却水温传感器检测到的信号进行修正，控制器根据修正后的燃油喷射量、燃气喷射量向供油量调整执行器和燃气喷射执行器输出控制信号控制喷油泵的齿条位置和燃气喷射执行器的喷射脉宽；

当转速偏差的绝对值大于动稳态工况转速偏差临界值时，将通过动态工况的燃油燃气分配比MAP图获得的燃油喷射量和燃气喷射量经天然气压力和温度一体式传感器、空气压力和温度一体式传感器、冷却水温传感器检测到的信号进行修正，控制器根据修正后的燃油喷射量、燃气喷射量向供油量调整执行器和燃气喷射执行器输出控制信号控制喷油泵的齿条位置和燃气喷射执行器的喷射脉宽；

2、船舶柴油机启动后，检测冷却水温传感器的信号，当冷却水温度小于或等于40℃时，采用纯柴油模式，直到冷却水温度大于40℃后，再判断当量燃料喷射量和引燃油量与最小可控燃气喷射量之和之间的大小关系。

3、当排气温度传感器检测到的排气温度大于550℃时，采用纯柴油方式。

本发明的优势在于：本发明在原有的船舶柴油机上改装形成，无需对燃油系统进行机械改动，采用本调速系统的船舶双燃料发动机使用供油量调整执行器和燃气喷射执行器实现给定燃油喷射量和给定燃气喷射量的同步实时控制，并且本调速系统实现了燃气的准缸内直喷。另外，使用该调速控制方法的该调速系统保证了船舶双燃料发动机加载不熄火，卸载不超速，动态响应快速，切换过程中稳定运行，并且节能减排效果明显。发动机高负荷稳态工况下实现较高的燃油替代率，低负荷动态工况下能快速稳定转速。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明燃气喷嘴安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，本发明是在原有的船舶柴油机上改装形成，若原船舶柴油机采用带机械式调速器的喷油泵，则需将喷油泵和机械调速器换装为带供油量调整执行器的喷油泵，并且供油量调整执行器上集成有齿条位置传感器。若原船舶柴油机燃油系统是位置式电控喷油系统，则无需对燃油系统进行机械改动。此外，在原船舶柴油机上还需安装燃气喷射装置，包括气轨、燃气喷射执行器和燃气喷嘴，由供气设备向气轨供给发动机所需特定压力的天然气。燃气喷嘴安装在进气歧管内靠近进气门位置处，采用这样的安装方式实现燃气的准缸内直喷。

本发明中的双燃料发动机调速系统包括供油量调整执行器、燃气喷射执行器、燃气喷嘴、气轨、模式转换开关、船舶车钟、控制器、曲轴转速传感器、上止点位置传感器、齿条位置传感器、天然气压力和温度一体式传感器、空气压力和温度一体式传感器、冷却水温传感器和排气温度传感器。控制器对各个传感器传送来的发动机实时信号进行处理运算，然后控制器根据运算结果向供油量调整执行器和燃气喷射执行器输出控制信号控制供油量调整执行器和燃气喷射执行器的动作。本调速系统动态准确地控制喷入发动机气缸的燃油量和燃气量，达到快速稳定发动机转速的目的。

本发明还包括与本调速系统相对应的调速控制方法。发动机起动时将模式转换开关打到纯柴油模式，采用纯柴油以方便顺利起动发动机；发动机正常运行后将模式转换开关转换到双燃料模式。发动机工作在双燃料模式时，控制器将设定转速与曲轴转速传感器反馈的发动机实际转速相减得到转速偏差，转速偏差经过转速闭环PID运算，再通过限制环节防止运算结果大于最大当量燃料喷射量或小于最小当量燃料喷射量。这样，就得到了发动机所需的当量燃料喷射量，然后控制器查询事先标定好的燃油燃气分配比MAP图将当量燃料喷射量分配为燃油喷射量和燃气喷射量。控制器根据燃油喷射量向供油量调整执行器输出控制信号控制喷油泵的齿条位置；根据燃气喷射量向燃气喷射执行器输出控制信号控制喷射脉宽。分配的燃油喷射量对应的喷油泵齿条位置经过位置环PID运算快速稳定。

经转速闭环PID运算计算出的当量燃料喷射量若小于或等于引燃油量和最小可控燃气喷射量之和，即使模式转换开关处于双燃料模式，发动机仍使用纯柴油运行；若当量燃料喷射量大于引燃油量和最小可控燃气喷射量之和，并且模式转换开关处于双燃料模式，发动机使用双燃料运行。

发动机运行在双燃料模式时，根据转速偏差判断发动机运行工况。当转速偏差的绝对值小于或等于动稳态工况转速偏差临界值时，判定发动机处于稳态工况，这时查询稳态工况下的燃油燃气分配比MAP图维持发动机的稳定运行并实现较高的燃油替代率；当转速偏差的绝对值大于动稳态工况转速偏差临界值时，判定发动机处于动态工况，此时查询动态工况下的燃油燃气分配比MAP图。

稳态工况的燃油燃气分配比MAP图是事先标定好的关于转速的MAP图，MAP图分配的燃油喷射量由各转速下标定的引燃油量确定；动态工况的燃油燃气分配比MAP图是标定好的关于转速偏差的MAP图，MAP图分配的燃油喷射量不小于各转速下标定的引燃油量，随着转速偏差绝对值的增加燃油燃气分配比会相应升高。动态工况下，当转速偏差的绝对值大于最大可控转速偏差值时，控制燃油燃气分配比为1:0，发动机采用纯柴油运行。由于燃油响应快于燃气响应，动态工况下控制油多气少，实现发动机转速的快速稳定。

如图1所示，本发明中的船舶双燃料发动机调速系统包括：船舶柴油机1、喷油泵2、供油量调整执行器3、燃气喷射执行器4、燃气喷嘴5、气轨6、模式转换开关7、船舶车钟8、控制器9、曲轴转速传感器10、上止点位置传感器11、齿条位置传感器12、天然气压力和温度一体式传感器13、空气压力和温度一体式传感器14、冷却水温传感器15和排气温度传感器16。本发明中的调速控制方法编制成控制软件存储在控制器9内，控制器9采用飞思卡尔16位单片机。

本调速系统中的供油量调整执行器3安装在喷油泵2的一端，供油量调整执行器3控制喷油泵2的齿条位置。气轨6、燃气喷射执行器4、燃气喷嘴5依次通过燃气管路相连并安装在船舶柴油机1上，燃气喷嘴的安装方法如图3，实现燃气准缸内直喷。曲轴转速传感器10采用磁电式传感器，安装在正对飞轮齿圈位置处，采集转速信号。上止点位置传感器11安装在正对喷油泵凸轮轴位置处，采集上止点信号。齿条位置传感器12和供油量调整执行器3集成一体，采集喷油泵2的齿条位置。天然气压力和温度一体式传感器13安装在气轨6上，采集天然气的压力和温度信号。空气温度和压力一体式传感器14安装在进气总管上，采集进气的压力和温度信号。排气温度传感器16安装在排气总管上，采集排气温度信号。各个传感器的信号输出端连接控制器9的信号输入端，控制器9的输出端连接供油量调整执行器3和燃气喷射执行器4的信号输入端。模式转换开关7和船舶车钟8接入控制器9的信号输入端，向控制器9输入发动机运行模式信号和设定转速信号。

发动机起动时，将模式转换开关7打到纯柴油模式，采用纯柴油方便顺利起动发动机。

起动后，将模式转换开关7打到双燃料模式，此时发动机处于怠速工况。控制器9判断冷却水温传感器15检测到的水温，若水温大于40℃控制发动机工作在双燃料方式，反之，则工作在纯柴油方式，这样有利于发动机怠速工况下稳定运行和快速暖机。

发动机工作在双燃料模式时，控制器9计算设定转速与曲轴转速传感器11反馈的发动机实际转速的差得到转速偏差。转速偏差经过转速闭环PID计算，再经过限制环节避免计算结果大于最大当量燃料喷射量或小于最小当量燃料喷射量。最后，得到当量燃料喷射量。

若得到的当量燃料喷射量小于或等于引燃油量与最小可控燃气喷射量之和，则将当量燃料喷射量全部分配给燃油，发动机工作在纯柴油方式，控制器9根据燃油喷射量向供油量调整执行器3输出控制信号控制喷油泵2的齿条位置。

若得到的当量燃料喷射量大于引燃油量与最小可控燃气喷射量，控制器9再判别转速偏差。如果转速偏差的绝对值小于或等于动稳态工况转速偏差临界值，查询稳态工况的燃油燃气分配比MAP图；如果转速偏差的绝对值大于动稳态工况转速偏差临界值，则查询动态工况的燃油燃气分配比MAP图。这样，当量燃料喷射量就分配为燃油喷射量和燃气喷射量。燃油喷射量和燃气喷射量再经过天然气压力和温度一体式传感器13、空气压力和温度一体式传感器14和冷却水温传感器15检测到的参数修正。控制器9根据修正后的燃油喷射量、燃气喷射量向供油量调整执行器3和燃气喷射执行器4输出控制信号控制喷油泵2的齿条位置和燃气喷射执行器4的喷射脉宽。

喷油泵2的齿条位置通过集成在供油量调整执行器3上的齿条位置传感器12检测，并经过位置环PID运算稳定。

曲轴转速传感器10和上止点位置传感器11相互配合确定燃气喷射执行器4在喷气提前角处喷入燃气。

另外，控制器9判断排气温度传感器16检测到的排气温度。如果排气温度大于550℃，此时，即使模式转换开关位于双燃料模式，控制器9也控制发动机工作在纯柴油方式。

Claims

1.一种船舶双燃料发动机调速系统，包括船舶柴油机、控制器、喷油泵、齿条位置传感器、供油量调整执行器、冷却水温传感器，其特征是：还包括气轨、燃气喷射执行器、燃气喷嘴，气轨、燃气喷射执行器、燃气喷嘴依次相连，燃气喷嘴设置在船舶柴油机的进气歧管内进气门处，正对船舶柴油机的飞轮齿圈位置处安装曲轴转速传感器，正对船舶柴油机的喷油泵凸轮轴位置处安装上止点位置传感器，齿条位置传感器和供油量调整执行器集成一体并安装在喷油泵上，采集并控制喷油泵的齿条位置，气轨上安装天然气压力和温度一体式传感器，船舶柴油机的进气总管上安装空气温度和压力一体式传感器，船舶柴油机的排气总管上安装排气温度传感器，曲轴转速传感器、上止点位置传感器、天然气压力和温度一体式传感器、空气温度和压力一体式传感器以及排气温度传感器连接控制器的输入端，控制器的输出端连接供油量调整执行器和燃气喷射执行器。

2.根据权利要求1所述的一种船舶双燃料发动机调速系统，其特征是：燃气喷嘴与进气门之间的距离为0-15厘米，从而实现燃气的准缸内直喷。

3.一种船舶双燃料发动机调速方法，其特征是：

发动机起动时，采用纯柴油模式；

4.根据权利要求3所述的一种船舶双燃料发动机调速方法，其特征是：

当转速偏差的绝对值小于或等于动稳态工况转速偏差临界值时，将通过稳态工况的燃油燃气分配比MAP图获得的燃油喷射量和燃气喷射量经天然气压力和温度一体式传感器、空气压力和温度一体式传感器、冷却水温传感器检测到的信号进行修正，控制器根据修正后的燃油喷射量、燃气喷射量向供油量调整执行器和燃气喷射执行器输出控制信号控制喷油泵的齿条位置和燃气喷射执行器的喷射脉宽；

当转速偏差的绝对值大于动稳态工况转速偏差临界值时，将通过动态工况的燃油燃气分配比MAP图获得的燃油喷射量和燃气喷射量经天然气压力和温度一体式传感器、空气压力和温度一体式传感器、冷却水温传感器检测到的信号进行修正，控制器根据修正后的燃油喷射量、燃气喷射量向供油量调整执行器和燃气喷射执行器输出控制信号控制喷油泵的齿条位置和燃气喷射执行器的喷射脉宽。

5.根据权利要求3或4所述的一种船舶双燃料发动机调速方法，其特征是：船舶柴油机启动后，检测冷却水温传感器的信号，当冷却水温度小于或等于40℃时，采用纯柴油模式，直到冷却水温度大于40℃后，再判断当量燃料喷射量和引燃油量与最小可控燃气喷射量之和之间的大小关系。

6.根据权利要求3或4所述的一种船舶双燃料发动机调速方法，其特征是：当排气温度传感器检测到的排气温度大于550℃时，采用纯柴油方式。

7.根据权利要求5所述的一种船舶双燃料发动机调速方法，其特征是：当排气温度传感器检测到的排气温度大于550℃时，采用纯柴油方式。