CN105971746A - 船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其由安装在控制箱中的发动机运行监测单元、安全保护单元、燃料喷射与调速控制单元、参数修改单元组成，各单元采用CAN冗余总线连接以实现其运行数据交互、逻辑参数修改，还通过modbus总线与人机交互界面实现显示参数交互。该系统可实现多次喷射控制和停止某通道喷射模式；采用同一控制单元实现发动机的燃料供给控制，便于燃料模式切换过程的同步、精确控制，实现发动机的平稳过度，优化双燃料发动机运行参数。

Description

船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统

技术领域

本发明涉及一种船用中速微喷引燃型双燃料(LNG/柴油)发动机控制系统，具体地说是一种发动机运行过程中实现燃料喷射、转速调节和发动机管理的控制器。

背景技术

随着国际海事组织对船用发动机排放要求的不断提高，船用微喷引燃型(天燃气模式下喷射约1％的高压共轨引燃柴油实现缸内点火的工作模式)中低速天然气/柴油双燃料发动机开始得到应用，以提高燃料经济性并实现大幅度的减排。国内正致力于船用中速双燃料发动机的工程化开发，其双燃料发动机燃气模式下采用进气歧管喷射(准缸内)天然气、缸内微喷引燃的工作模式；柴油机模式采用调速器控制的柱塞泵喷油工作方式。微喷引燃型双燃料发动机作为一种新的燃料应用模式与传统的双燃料发动机主要区别在于，在燃气模式下微喷引燃型发动机采用单独的高压共轨系统喷射极少的良好雾化的燃油实现稀薄燃烧引燃，传统的掺烧型双燃料发动机采用主燃油系统供油，由于柱塞泵系统的原因导致替代率较低，经济性和排放性也相对较差。传统的船用双燃料发动机属于旧的船舶柴油机改造而来，未对柴油机的燃油系统进行改造，主要是加装了燃气喷射系统实现进气总管或进气歧管喷射，国内对此已开展了大量的研究工作也研制了相应的控制系统实现掺烧型双燃料发动机的控制。

国外船用微喷引燃型双燃料发动机配备有良好的电子控制系统，保证发动机在各种模式下的效率达到最优。国内船用微喷引燃型双燃料发动机正处于工程化开发阶段，目前没有与之相应的船用微喷引燃型双燃料发动机控制系统。

因此，根据船用微喷引燃型发动机运行与控制需求的特点，设计开发与之适应的微喷引燃型发动机控制系统，实现燃气模式、柴油模式和燃料过度模式下的燃油、燃气喷射控制、空燃比控制和调速控制等，以保证发动机的安全性、燃料经济性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了填补上述技术背景中国内船用微喷引燃型双燃料发动机自动控制系统的空白，针对柴油模式下采用电子调速器控制柱塞泵实现燃油供给，燃气模式下采用进气歧管喷射(准缸内)天然气、独立的高压共轨燃油系统对缸内喷射微量的引燃油的船用微喷引燃型中低速天然气/柴油双燃料发动机，提供一种能够实现微喷引燃型双燃料发动机引燃油喷射、燃气喷射和主燃油调速控制的高集成度控制器，保证各模式下的效率最优、燃料切换模式的平稳过度和发动机本体的安全。

本发明解决其技术问题所采用的以下的技术方案：

本发明提供的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其由安装在控制箱中的发动机运行监测单元、安全保护单元、燃料喷射与调速控制单元、参数修改单元组成，各单元采用CAN冗余总线连接以实现其运行数据交互、逻辑参数修改，还通过modbus总线与装在控制箱表面的人机交互界面实现显示参数交互。

所述的发动机运行监测单元(DMCU)，其组成为：模拟量采集设计块采用MPC5634和ADG508，脉冲信号调理块和数值量采集块采用TLC2272I，CAN通信块采用ADM3054，所述通信块采用ADM2483；所述ADG508接受单片机控制信号选择不同的模拟通道导通模拟信号供单片机采样；TLC2272I调理包括发动机转速、上止点、增压器转速脉冲信号，供单片机周期捕获单元采样；ADM3054处理来自单片机或外部的通讯信号，与单片机的CAN控制器通道相连；ADM2483处理来及触摸屏或单片机的通信信号，与单片机串口控制器通道相连。

所述的安全保护单元，由MPC5634主控单片机、数字量输出控制信号块、脉冲信号调理块和数值量采集块、CAN通信块、modubus通信块组成，用于船用微喷引燃型双燃料发动机安全保护控制。

所述的数字量输出控制信号块由继电器构成，脉冲信号调理块和数值量采集块采用TLC2272I，所述通信块采用ADM3054和ADM2483，其中：TLC2272I调理包括发动机转速、上止点及增压器转速脉冲信号；供单片机周期捕获单元采样；ADM3054处理来自单片机或外部的通讯信号，与单片机的CAN控制器通道相连；ADM2483处理来自触摸屏或单片机的通讯信号，与单片机串口控制器通道相连。

所述的燃料喷射与调速控制单元，包括用于船用微喷引燃型双燃料发动机柴油模式的调速控制，燃气模式下的燃气、引燃油的喷射，空燃比调节和缸压闭环的爆震控制；该燃料喷射与调速控制单元由模拟量采集设计块、燃气喷射驱动、高压共轨引燃油喷射电磁阀驱动、数字量输出控制信号块、脉冲信号调理块和数值量采集块、模拟量输出块、CAN通信块、modubus通信块组成。

所述的模拟量采集设计块由主控单片机MPC5634和ADG508构成，燃气喷射驱动由1EDIEiceDIVER和IKD04N60RA构成，高压共轨引燃油喷射电磁阀驱动由1EDI EiceDIVER和IPG20N06S2L构成，数字量输出控制信号块由继电器构成，脉冲信号调理块和数值量采集块由TLC2272I构成，模拟量输出块采用TC2645，CAN通信块采用ADM3054，所述通信块采用ADM2483，其中：ADG508接受单片机控制信号选择不同的模拟通道导通模拟信号供单片机采样，1EDI EiceDIVER作为驱动芯片，受单片机控制实现对IKD04N60RA和IPG20N06S2L的控制，使其驱动电磁阀；TLC2272I调理发动机转速、上止点和增压器转速脉冲信号；供单片机周期捕获单元采样，ADM3054处理来自单片机或外部的通讯信号，与单片机的CAN控制器通道相连；ADM2483与单片机串口控制器通道相连，处理触摸屏或单片机的通讯信息。

所述的参数修改单元，用于船用微喷引燃型双燃料发动机控制系统控制参数修改，该参数修改单元由工控机与LabVIEW软件组成，其中：上位机通过CAN通信协议盒与控制系统各模块的CAN总线相连，实现对各模块控制参数的读取与修改。

所述的人机交互界面，用于船用微喷引燃型双燃料发动机运行参数的显示，该人机交互界面由研华组态屏组成，该组态屏与控制系统各模块间通过modubus通信获取发动机运行参数。

本发明提供的上述船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其用途是：用于9缸及以下的船用中速发动机柴油或天然气双燃料模式的运行与监测控制。

所述的船用中速微喷引燃型双燃料发动机，是进气歧管多点喷射天然气类型发动机。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.采用模块化的设计，按照功能划分为发动机监测单元(DMCU)、安全保护单元(DSCU)、燃料喷射与调速控制单元(DF ECU)、参数修改单元和人机交互界面，可根据发动机控制功能需求实现灵活选配，增强了控制系统的适应性。

2.采用灵活的喷射正时设计方案，可实现多次喷射控制和停止某通道喷射模式，为实现发动机燃气模式下的低负荷过程采取停缸喷射控制提供条件，以保证未配备节气门的船用双燃料发动机在低负荷情况下能工作在燃气模式。

3.对柴油模式下的调速控制与燃气模式下微喷引燃油压力调节与喷射控制、燃气压力与喷射控制等功能进行了硬件上的集约化设计，采用同一控制单元实现发动机的燃料供给控制，便于燃料模式切换过程的同步、精确控制，实现发动机的平稳过度。

4.通过对各控制模块的控制芯片实现片上数据实时读写功能设计，使得控制系统可在发动机运行过程中进行控制参数修改，便于发动机台架标定、控制策略优化试验。

5.燃料喷射与调速控制单元中集成了缸压与爆震测试分析功能，对双燃料发动机的爆震与失火控制(空燃比修正)、各缸工作的平衡性控制提供反馈性策略指导，以保证双燃料发动机在燃气模式下的安全运行。

6.采取灵活的控制逻辑，可实现控制系统部分模块失效情形下的备份运行模式。

7.对控制系统各模块进行了数据交互的地址分配，保证控制系统构成中增减模块不对控制系统产生功能影响。

附图说明

图1为船用中速双燃料发动机控制系统的结构示意图。

图2为船用中速双燃料发动机控制系统的监测单元(DMCU)的结构示意图。

图3为船用中速双燃料发动机控制系统的安全保护单元(DSCU)的结构示意图。

图4为船用中速双燃料发动机控制系统的燃料喷射与调速控制单元(DF ECU)的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其适用于进气歧管喷射天然气、缸内喷射高压共轨引燃油的船用微喷引燃型双燃料发动机。通过实时缸压和振动信号提取各缸燃烧情形，实现空燃比与爆震控制。根据混合燃料动力特性及其空燃比特点，并根据增压空气压力设置浮动目标转速，实现燃料切换过程快速调节，优化切换效果。燃料模式切换过程中采取依据增压空气压力浮动的目标转速，使得快速切换过程中的转速波动较低且不出现爆震失火。采取了各缸可变空燃比和缸内燃烧结束阶段微喷补油提高排气温度与压力，优化负荷突变的瞬态调速过程。

下面结合实施例以及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其结构如图1至图4所示，由发动机运行监测单元、安全保护单元、燃料喷射与调速控制单元、参数修改单元和人机交互界面组成，各单元分立地安装在控制箱中，采用CAN冗余总线连接以实现其运行数据交互、逻辑参数修改，人机交互界面安装在控制箱表面且通过modbus总线与各功能单元实现显示参数交互。

所述的发动机运行监测单元，用于船用微喷引燃型双燃料发动机运行状态监测控制、启停逻辑判别等，该发动机运行监测单元由主控单片机MPC5634、ADG508构成的模拟量采集设计块、继电器构成的数字量输出控制信号块、TLC2272I构成的脉冲信号调理块和数值量采集块、ADM3054构成的CAN通信块、ADM2483构成的modubus通信块组成，其中：ADG508接受单片机控制信号选择不同的模拟通道导通模拟信号供单片机采样，TLC2272I调理转速、上止点、增压器转速等脉冲信号，供单片机周期捕获单元采样，ADM3054处理来自单片机或外部的通信信号与单片机的CAN控制器通道相连，ADM2483处理来及触摸屏或单片机的通信信号，与单片机串口控制器通道相连。

所述的安全保护单元，用于船用微喷引燃型双燃料发动机安全保护控制。该安全保护单元由主控单片机MPC5634、继电器构成的数字量输出控制信号块、TLC2272I构成的脉冲信号调理块和数值量采集块、ADM3054构成的CAN通信块、ADM2483构成的modubus通信块组成，其中：TLC2272I调理转速、上止点、增压器转速等脉冲信号，供单片机周期捕获单元采样，ADM3054处理来自单片机或外部的通信信号与单片机的CAN控制器通道相连，ADM2483处理来及触摸屏或单片机的通信信号，与单片机串口控制器通道相连。

所述的燃料喷射与调速控制单元，用于船用微喷引燃型双燃料发动机柴油模式的调速控制(柱塞泵)，燃气模式下的燃气、引燃油的喷射，空燃比调节和缸压闭环的爆震控制等，该燃料喷射与调速控制单元由主控单片机MPC5634、ADG508构成的模拟量采集设计块、1EDIEiceDIVER和IKD04N60RA构成燃气喷射驱动、1EDI EiceDIVER和IPG20N06S2L构成高压共轨引燃油喷射电磁阀驱动、继电器构成的数字量输出控制信号块、TLC2272I构成的脉冲信号调理块和数值量采集块、LTC2645构成模拟量输出块、ADM3054构成的CAN通信块、ADM2483构成的modubus通信块组成，其中：ADG508接受单片机控制信号选择不同的模拟通道导通模拟信号供单片机采样，1EDI EiceDIVER作为驱动芯片，受单片机控制实现对IKD04N60RA和IPG20N06S2L的控制，使其驱动电磁阀；TLC2272I调理转速、上止点、增压器转速等脉冲信号，供单片机周期捕获单元采样，ADM3054处理来自单片机或外部的通信信号与单片机的CAN控制器通道相连，ADM2483处理来及触摸屏或单片机的通信信号，与单片机串口控制器通道相连。

所述的参数修改单元，用于船用微喷引燃型双燃料发动机控制系统控制参数修改，该参数修改单元由工控机与LabVIEW软件组成，其中：上位机通过CAN通信协议盒与控制系统各模块的CAN总线相连，实现对各模块控制参数的读取与修改。

所述的人机交互界面，用于船用微喷引燃型双燃料发动机运行参数的显示，该人机交互界面由研华组态屏组成，组态屏与控制系统各模块间通过modubus通信获取发动机运行参数。

本发明提供的船用中速双燃料发动机控制系统，其工作过程如下：

运行监测单元(DMCU)监测发动机运行过程参数并管理发动机运行逻辑流程，通过采集发动机燃油系统、滑油系统、冷却水系统、进、排气系统、启动与操纵系统等各系统的参数和发动机转速转速、凸轮轴信号等按照预定逻辑实现发动机的启动条件判别、启动控制、运行保护控制(包含发动机滑油压力低停车、报警，超速停车、报警等)、模块间指令输出与数据交换、参数修改与显示等；安全保护单元(DSCU)采集转速信号、滑油压力低开关量信号、高温水高温开关量型号等，它负责监监管运行监测单元的运行控制情况，并在监测单元失效或者监测单元输出命令过程中同时发出禁止启动或紧急停车控制命令，保证发动机系统的安全性；燃料喷射与调速控制单元(DF ECU)采集发动机转速信号、凸轮轴信号、废气旁通阀位置信号、微喷引燃油压力、燃气调节阀前后压力、增压后空气压力和燃气管路系统信号等信息，按照处理逻辑与调节控制策略实现微喷引燃油轨压调节、燃气轨压调节、废气旁通阀调节(增压空气压力)、柴油模式调速控制、气体燃料模式燃气喷射、微喷引燃柴油喷射控制、燃料模式切换控制、空燃比控制、低负荷燃气随机停缸喷射控制等；人机交互单元与参数修改单元分别通过modbus总线和CAN总线与各模块实现数据交换，实现微喷引燃型双燃料发动机控制系统运行参数显示和控制参数的实时在线修改，以满足发动机台架标定试验要求。

发动机启动前，监测系统和安保系统通过逻辑判断是否具备启动条件，当启动条件满足并接收到启动信号时检测控制系统控制启动空气阀实现启动，当启动转速到达发火转速时，监测单元发出柴油模式许可指令使能调速控制以实现柴油启动，当发动机启动成功后，若检测模块接收到燃料切换指令，监测模块输出燃气许可指令给DFECU，DFECU接收到切换指令后按照预定逻辑增加燃气喷射并控制高压共轨引燃油喷射直至燃气替代率达到设定值时，检测控制单元输出指令禁止调速控制以停止主燃油系统，DFECU控制燃气喷射消除停油产生的转速波动是发动机进入稳定状态，当检测模块接受到停车指令时，监控模块输出信号禁止DFECU燃料供给实现停车。同时，在发动机进入正常运行后，发动机监测模块和安全保护模块实时监测发动机的滑油、冷却水和转速，一旦超出设定报警停车值，监测控制系统与安保系统按照预定的流程实现停车控制，以保证发动机本体安全。

本发明支持单缸功率在400KW以上，进气歧管喷射天然气，缸内直接喷射高压共轨引燃油(1％)的双燃料发动机，其燃气电磁阀喷射背压在0.5至10Bar，燃油、燃气喷射控制精度为0.001CA，每一周期可实现燃气、燃油多次喷射(最多5次)。船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统功能指标满足，柴油模式下达到船级社对船用发动机一级电站的标准，稳态波动率在1％以内，瞬态波动率(突加50％、突卸100％负荷)在5％以内，稳定时间3.5S，天燃气模式下满足船级社对船用发动机三级电站标准，稳态波动率在1％以内，瞬态波动率(突加40％、突卸100％负荷)在10％以内，稳定时间5S。以缸压信号、振动信号、增压空气压力等作为各缸燃烧与做功特性监测的依据，可将各缸振动偏差控制在2.5％以内，各缸空燃比偏差控制在1.5％以内。燃料模式切换过程中转速波动率在3％以内，转速偏离目标值比率不超过±5％，各缸振动偏差不超过10％，空燃比偏差不超过5％，控制系统对燃料模式切换采取增压空气压力为主、转速为辅的超前控制，容许一定的转速偏差，实现快速的模式切换，切换时间小于3S。低负荷停缸模式下稳态波动率不超过2.5％，各缸振动偏差不超过5％，空燃比偏差不超过2.5％。

船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统的燃气喷射转速调节，采取增压空气压力、转速、缸压和振动信号的多闭环控制，以实现精确的空燃比、较小的转速波动与机体振动和良好的排放控制。采取实时喷射背压调节，优化气体混合效果，提高动力性1.5％。在发动机瞬态过程调节中，由于空燃比的限制采取各缸可变空燃比和缸内燃烧结束阶段微喷补油以提高排气温度与压力，优化负荷突变的瞬态调速过程，瞬态波动率减少25％，稳定时间减少15％。通过实时缸压和振动信号提取各缸燃烧情形，实现空燃比修正控制，减少缸间振动差异，优化10％。根据混合燃料动力特性及其空燃比特点，并根据增压空气压力设置浮动目标转速，实现切换过程燃料快速调节，由60S缓慢切换提高至3S快速切换。

本发明提供的船用中速双燃料发动机控制系统，用于船用中速双燃料发动机运行与监测控制，整个系统完成工作还需外接相应的发动机温度、压力、转速传感器(开关量、模拟量)和执行单元(电磁阀、比例电控阀等)。

以上所述本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其特征是该控制系统由安装在控制箱中的发动机运行监测单元、安全保护单元、燃料喷射与调速控制单元、参数修改单元组成，各单元采用CAN冗余总线连接以实现其运行数据交互、逻辑参数修改，还通过modbus总线与装在控制箱表面的人机交互界面实现显示参数交互。

2.根据权利要求1所述的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其特征在于所述的发动机监测单元，其组成为：模拟量采集设计块采用MPC5634和ADG508，脉冲信号调理块和数值量采集块采用TLC2272I，CAN通信块采用ADM3054，所述通信块采用ADM2483；所述ADG508接受单片机控制信号选择不同的模拟通道导通模拟信号供单片机采样；TLC2272I调理包括发动机转速、上止点、增压器转速脉冲信号，供单片机周期捕获单元采样；ADM3054处理来自单片机或外部的通讯信号，与单片机的CAN控制器通道相连；ADM2483处理来及触摸屏或单片机的通信信号，与单片机串口控制器通道相连。

3.根据权利要求1所述的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其特征在于所述的安全保护单元，由MPC5634主控单片机、数字量输出控制信号块、脉冲信号调理块和数值量采集块、CAN通信块、modubus通信块组成，用于船用微喷引燃型双燃料发动机安全保护控制。

4.根据权利要求3所述的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其特征在于所述的数字量输出控制信号块由继电器构成，脉冲信号调理块和数值量采集块采用TLC2272I，所述通信块采用ADM3054和ADM2483，其中：TLC2272I调理包括发动机转速、上止点及增压器转速脉冲信号；供单片机周期捕获单元采样；ADM3054处理来自单片机或外部的通讯信号，与单片机的CAN控制器通道相连；ADM2483处理来自触摸屏或单片机的通讯信号，与单片机串口控制器通道相连。

5.根据权利要求1所述的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其特征在于所述的燃料喷射与调速控制单元，包括用于船用微喷引燃型双燃料发动机柴油模式的调速控制，燃气模式下的燃气、引燃油的喷射，空燃比调节和缸压闭环的爆震控制；该燃料喷射与调速控制单元由模拟量采集设计块、燃气喷射驱动、高压共轨引燃油喷射电磁阀驱动、数字量输出控制信号块、脉冲信号调理块和数值量采集块、模拟量输出块、CAN通信块、modubus通信块组成。

6.根据权利要求5所述的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其特征在于所述的模拟量采集设计块由主控单片机MPC5634和ADG508构成，燃气喷射驱动由1EDIEiceDIVER和IKD04N60RA构成，高压共轨引燃油喷射电磁阀驱动由1EDI EiceDIVER和IPG20N06S2L构成，数字量输出控制信号块由继电器构成，脉冲信号调理块和数值量采集块由TLC2272I构成，模拟量输出块采用TC2645，CAN通信块采用ADM3054，所述通信块采用ADM2483，其中：ADG508接受单片机控制信号选择不同的模拟通道导通模拟信号供单片机采样，1EDI EiceDIVER作为驱动芯片，受单片机控制实现对IKD04N60RA和IPG20N06S2L的控制，使其驱动电磁阀；TLC2272I调理发动机转速、上止点和增压器转速脉冲信号；供单片机周期捕获单元采样，ADM3054处理来自单片机或外部的通讯信号，与单片机的CAN控制器通道相连；ADM2483与单片机串口控制器通道相连，处理触摸屏或单片机的通讯信息。

7.根据权利要求1所述的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其特征在于所述的参数修改单元，用于船用微喷引燃型双燃料发动机控制系统控制参数修改，该参数修改单元由工控机与LabVIEW软件组成，其中：上位机通过CAN通信协议盒与控制系统各模块的CAN总线相连，实现对各模块控制参数的读取与修改。

8.根据权利要求1所述的船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统，其特征在于所述的人机交互界面，用于船用微喷引燃型双燃料发动机运行参数的显示，该人机交互界面由研华组态屏组成，该组态屏与控制系统各模块间通过modubus通信获取发动机运行参数。

9.权利要求1至8中所述船用中速微喷引燃型双燃料发动机控制系统的用途，其特征是用于9缸及以下的船用中速发动机柴油或天然气双燃料模式的运行与监测控制。

10.根据权利要求9所述的用途，其特征是所述的双燃料发动机属于进气歧管多点喷射天然气类型发动机。