CN112555073A - 一种应用于中高速船舶柴油机的柴油甲醇双燃料系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于中高速船舶柴油机的柴油甲醇双燃料系统及其控制方法。柴油甲醇双燃料系统包括：船舶柴油机原机和原有的燃油系统、柴油ECU；还包括：在原机基础上直接加装的由甲醇供给系统，喷醇器总成，进气温控系统，甲醇电子控制系统，DOC催化氧化器；本发明在船舶柴油机上应用柴油甲醇组合燃烧技术能够有效实现高效燃烧，大幅提升中大负荷工况下发动机的热效率。

Description

一种应用于中高速船舶柴油机的柴油甲醇双燃料系统及其控 制方法

技术领域：

本发明涉及传播柴油机，进一步涉及一种应用于中高速船舶柴油 机的柴油甲醇双燃料系统及其控制方法。

背景技术：

凭借着运能大、运输成本低、运送距离远等优势，水路运输在交 通运输领域扮演着不可替代的角色。柴油机因动力性强，经济性好， 热效率高，稳定性高等原因在船舶动力装置中占绝对的统治地位，不 仅占领了普通船舶动力装置领域，也占据了VLCC、大型散货船和集 装箱船等在传统上认为属于蒸汽动力装置的领域。柴油机在船舶上的 另一主要应用场合是作为发电机的原动机。从船舶实际使用来看，绝 大多数远洋、近海以及内河的船舶都是以柴油机作为发电机原动机， 柴油机作为发电机原动机同样占据绝对的主导地位。

但同时，船舶柴油机的尾气排放对环境造成的污染远高于车用发 动机，特别是氮氧化物、硫氧化物和颗粒物排放量极高。为解决船舶 柴油机带来的能源与环境问题，清洁替代燃料成为了有效技术措施之 一。其中，天然气、液化石油气和甲醇作为船用清洁燃料吸引了船东 和发动机厂家的兴趣。但相较而言，甲醇有其独到优势。第一，甲醇 在标准大气条件下呈液态，可以储存在普通的非压力容器中，这使它 在船上的安装成本很低，并且易于运输，相关的基础设施的搭建也较 为简单。第二，虽然甲醇的成本高于重油，但是不含硫，在硫排放管 制区、河流交通管制区以及内陆水域这样的排放管制严格的地区将发 挥重要作用。除此之外，甲醇还具有生产来源多样，可实现无烟排放 等优点。另外，2018年9月国际海事组织通过的包括甲醇在内的低 闪点燃料可以作为船舶燃料的协议也为甲醇用作船用燃料铺平了道 路。

中国专利CN1470752A公开了柴油机的进气喷醇装置及喷射控 制方法，即在柴油机进气道安装甲醇喷嘴，喷入的甲醇同空气形成均 质混合气后进入气缸，再用缸内直喷的柴油引燃混合气，这种方式对 原机改动较小，应用灵活，但该专利基于车用柴油机提出，运行工况 大有不同，环境条件也有本质区别，如船舶柴油机进气经过的空气冷 却器，直接由水泵吸入的海水或河水冷却，温度过低，极不利于甲醇 的蒸发，特别是当发动机运行于中小负荷时，还会导致各缸不均匀性 加剧。因而为了有效地将进气喷醇装置及喷射控制方法应用于船舶发 动机，本专利对先前专利作了部分改动。

发明内容：

本发明借助柴油/甲醇组合燃烧技术，仅在船舶柴油机原机基础 上作微小改动，在进气总管上加装喷醇器总成，并结合配套的甲醇供 给系统、进气温控系统、甲醇电子控制系统，首次实现了将甲醇燃料 应用于中高速船用柴油机，有效降低了柴油消耗量。本发明技术方案 如下：

一种应用于中高速船舶柴油机的柴油甲醇双燃料系统，包括船舶 柴油机原机和原有的燃油系统、柴油ECU；还包括：

在原机基础上直接加装的由甲醇供给系统，喷醇器总成，进气温 控系统，甲醇电子控制系统，DOC催化氧化器；

所述喷醇器总成包括：甲醇轨、甲醇喷嘴和甲醇压板，位置选定 在进气总管弯管处；所述醇轨与甲醇管路连接，并连接甲醇喷嘴进口 端，将甲醇送入甲醇喷嘴，喷嘴出口端与甲醇压板配合，固定于进气 总管弯管处，固定方式可选用螺栓紧固或焊接，安装角度须确保甲醇 喷射方向与进气气流流线重合；

所述甲醇电子控制系统包括甲醇ECU、控制线束、上位机、故 障显示灯、喷醇指示灯、甲醇系统开关、甲醇液位计和固定式甲醇浓 度检测仪；所述甲醇ECU通过CAN模式，直接读取原机柴油ECU 的转速信号、油门信号、冷却液温度信号和甲醇液位计的液位信号、 流量计的流量信号来判断发动机工作状况、甲醇剩余量和甲醇管路的 畅通情况，以确定甲醇喷射；所述甲醇ECU还控制进气温控系统， 读取进气温度传感器的温度信号，控制电控废气阀门开度，进而通过 控制废气引入量实现进气温度的调节；所述上位机作为甲醇喷射控制界面、故障显示灯、甲醇液位计显示界面、甲醇流量计显示界面、甲 醇系统开关、喷醇指示灯和固定式甲醇浓度检测仪显示界面的集成， 可以同时显示从原机柴油ECU测取的发动机转速、冷却液温度、油 门开度，以及甲醇箱液位、甲醇进机流量、机旁和甲醇供给系统附近甲醇浓度、甲醇系统运行状况等信号；所述故障显示灯用于显示各个 传感器的信号状态和简单故障指示；所述喷醇指示灯用于显示船舶是 否处于双燃料工作模式以及喷醇量的多少；所述甲醇系统开关用于手 动调换柴油机工作状态处于柴油甲醇双燃料模式或是原机的纯柴油 模式；所述甲醇液位计用于测量甲醇箱液位；所述固定式甲醇浓度检 测仪有两个，分别安装在甲醇管路和发动机机旁，检测空气氛围中的 甲醇浓度，用以确保甲醇无泄漏所述的甲醇电子控制系统通过CAN 模式直接从柴油ECU读取柴油机原机的转速、冷却液温度和油门信 号；

所述进气温控系统包括：废气旁通管路、电控废气阀门和进气温 度传感器；所述废气旁通管路将DOC后的废气引至压气机进气端； 所述电控废气阀门由甲醇ECU控制，用于调节废气引入量，其开度 随发动机负荷增大而减小，选用耐高温阀门；所述进气温度传感器用 于读取喷醇器前、空气冷却器后这一位置的温度，为电控废气阀门开 度提供依据。

上述柴油甲醇双燃料系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：启动时采用纯柴油模式，启动后打开甲醇ECU开关，甲 醇ECU会依据发动机的运行状态作出判断，小负荷时仍采用纯柴油 模式，当发动机转速、油门开度、冷却液温度及甲醇液位满足甲醇喷 射条件时，发动机会自行切换到柴油/甲醇双燃料工作模式，依照标 定好的甲醇MAP确定喷醇量，若判定条件不满足时，甲醇系统则不 会工作；

步骤2：随着发动机转速降低，当发动机工作参数脱离甲醇系统 工作范围时，甲醇ECU会自动控制甲醇喷嘴停止喷醇；发动机停机 后，关闭甲醇系统开关，即可实现甲醇系统的停机；甲醇系统停止工 作，而发动机仍能以纯柴油模式运行，满足船级社对于双燃料发动机 的各项要求；

步骤3：当船舶柴油机运行于中小负荷时，甲醇ECU通过读取进 气温度传感器的参数，控制电控废气阀门开度，改变废气引入量，进 而调节进气温度至甲醇最佳蒸发温度，提高热效率。

优选方案一，所述甲醇喷嘴在0.4MPa压力下静态流量可达 700mL/min，喷嘴安装数量根据燃料需求量选定。

优选方案二，所述甲醇供给系统包括甲醇箱、甲醇滤清器、甲醇 流量计、甲醇泵和甲醇限压阀，所述甲醇箱通过甲醇管路依次与所述 甲醇滤清器、甲醇流量计、甲醇泵、甲醇限压阀和喷醇器总成连接。 进一步，所述甲醇限压阀前设有回流醇管，多余的甲醇经回流醇管回 到甲醇箱。

本发明首次实现了将柴油/甲醇组合燃烧技术应用于中高速船用 柴油机，填补了中高速船舶柴油机使用柴油甲醇双燃料的技术空白， 它的优势在于：

本发明可以让船舶柴油机实现纯柴油模式和柴油甲醇双燃料模 式的自由切换，且切换方式可以自动也可以手动，满足满足船级社对 于双燃料发动机的各项要求。

有效解决了船舶柴油机直接将海水(河水)导入空气冷却器冷却 进气所导致的中小负荷下甲醇蒸发性差的问题，成功实现了中国专利 CN1470752A公开的柴油机的进气喷醇装置及喷射控制方法在中高速 船舶柴油机领域的应用。

在船舶柴油机上应用柴油甲醇组合燃烧技术能够有效实现高效 燃烧，大幅提升中大负荷工况下发动机的热效率。

截止到目前，在船舶柴油机上，甲醇对柴油替代率最高可达到 60％，最低在40％，常用负荷平均替代率为50％，平均节约超过10％的 燃油成本。

在船舶柴油机上应用柴油甲醇双燃料系统及方法能有效降低排 气温度，降低轮机机舱温度，改善轮机部人员工作环境。

目前改装后的柴油甲醇双燃料船舶发动机排放满足中国第一阶 段排放限值。

本发明不仅可以应用于作为船舶主推进动力装置的柴油机，还可 安装在船舶副机上，应用前景十分广阔。

附图说明：

图1是本发明的系统结构示意图；图中，1代表柴油ECU，2代 表上位机，3代表甲醇系统开关，4代表甲醇ECU，5代表电控高压 共轨系统，6代表高压油泵，7代表喷醇器总成，8代表甲醇限压阀， 9代表柴油喷油器，10代表固定式甲醇浓度检测仪，11代表进气温 度传感器，12代表甲醇泵，13代表空气冷却器，14代表柴油滤清器， 15代表甲醇流量计，16代表甲醇滤清器，17代表柴油箱，18代表甲 醇液位计，19代表甲醇箱，20代表DOC催化氧化器，21代表废气 旁通管路，22代表电控废气阀门，23代表废气涡轮增压器。

图2是实施例中喷醇器总成结构示意图；图中，24代表甲醇压 板，25代表甲醇喷嘴，26代表甲醇轨，27代表进气总管。

具体实施方式：

实施例：

以下结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的详细说明。特 别强调，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本 发明。

图1所示的实施例中，展示了柴油甲醇双燃料系统应用于中高速 船舶柴油机的试验台架，该系统包括船舶柴油机原机、燃油系统和柴 油ECU以及在原机基础上直接加装的由甲醇供给系统、喷醇器总成 7以及甲醇电子控制系统组成的甲醇系统，还安装了DOC催化氧化 器20。

用于改装的船舶柴油机原机为用作船舶主机的直列六缸增压中 冷四冲程发动机，缸径123mm，行程145mm，额定功率257Kw，额 定转速1800r/min，排量10.337L。该发动机采用了电控高压共轨喷油 系统，最高喷射压力160MPa，可实现多次喷射。该发动机主要安装 于内河船、沿海船、江海直达船、海峡[渡]船和渔业船舶船等船型上。

该实验台架的燃油系统包括柴油箱17、柴油滤清器14、高压油 泵6、电控高压共轨喷油系统5以及柴油喷油器9，模拟实船。柴油 从柴油箱17泵出，先后经过柴油滤清器14过滤、高压油泵6加压到 达电控高压共轨系统5，最后通过喷油器9进入气缸，多余的柴油通过回油管路流回柴油箱。

柴油ECU接收原机所带传感器测量的发动机转速、冷却液温度、 油门开度等信号，控制柴油喷油器9的喷射时刻和喷射脉宽

甲醇供给系统包括甲醇箱19、甲醇滤清器16、甲醇流量计15、 甲醇泵12、甲醇限压阀8以及用以连接各个部件的甲醇管路。甲醇 管路以及其他与甲醇接触的各设备均采用耐醇设计。

喷醇器总成7包括甲醇轨26、四个甲醇喷嘴25和甲醇压板24， 位置选定在进气总管27弯管处，其目的是让甲醇与进气更加充分地 混合；甲醇轨26与甲醇管路连接，并连接至甲醇喷嘴25进口端，稳 压后将甲醇送入甲醇喷嘴25，喷嘴出口端与甲醇压板24配合，甲醇 喷嘴25两端均有耐醇橡胶圈保证密封，喷醇器总成7固定于进气总 管27弯管处，安装角度须确保甲醇喷射方向与进气气流流线重合。

进气温控系统包括废气旁通管路21、电控废气阀门22和进气温 度传感器11；废气旁通管路21将DOC后的废气引至压气机进气端； 电控废气阀门22开度由甲醇ECU控制，用于调节废气引入量，并选 用耐高温阀门；进气温度传感器11读取喷醇器7前、空气冷却器13后这一位置的温度，为电控废气阀门22开度提供依据；

甲醇电子控制系统包括：甲醇ECU、控制线束、上位机2、故障 显示灯、喷醇指示灯、甲醇系统开关3、甲醇液位计18和固定式甲 醇浓度检测仪10。甲醇ECU通过CAN模式直接读取原机柴油ECU 测取的发动机转速、冷却液温度、油门开度等信号来判断发动机工况， 同时读取甲醇流量计15和甲醇液位计18的信号，满足喷射条件时向 甲醇喷嘴25发出包含喷射时刻、脉宽在内的喷射指令。甲醇ECU还 控制进气温控系统，读取进气温度传感器11的温度信号，控制电控 废气阀门22开度，进而通过控制废气引入量实现进气温度的调节。 上位机作为甲醇喷射控制界面、故障显示灯、甲醇液位计显示界面、 甲醇流量计显示界面、甲醇系统开关、喷醇指示灯和固定式甲醇浓度 检测仪显示界面的集成，可以同时显示从原机柴油ECU测取的发动 机转速、冷却液温度、油门开度，以及甲醇箱19的液位、甲醇进机 流量、机旁和甲醇供给系统附近甲醇浓度、甲醇系统运行状况等信号。 控制线束包括连接甲醇ECU和原机柴油ECU的信号线、连接甲醇 ECU与甲醇液位计18的信号线、连接甲醇ECU与甲醇流量计15的 信号线、连接甲醇ECU与两台固定式甲醇浓度检测仪10的信号线， 连接甲醇ECU与柴油喷油器9的控制线束，以及连接甲醇ECU和上 位机2的通讯线。

利用上述系统在船舶柴油机上进行替代率试验和排放试验的具 体方法如下：

按照图1所示搭建系统，检查各部件能否正常运行；

发动机启机前进行正常的备车准备；

发动机正常起动后，先在纯柴油模式下运行，直至稳定在目标工 况，甲醇ECU从原机柴油ECU读取发动机工况信号，当发动机运行 边界条件满足甲醇喷射条件时，在上位机2的控制界面控制甲醇喷射 量，甲醇喷入后发动机调速机构调节柴油循环供油量，使转速和扭矩 同纯柴油模式下的目标工况相同。

按照《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、 第二阶段)》标准规定，船舶发动机试验循环按推进特性运行，依据 四工况循环试验工况点检表，计算出本发动机的工况点(1134r/min 539.7N·m、1440r/min 850.0N·m、1638r/min 1120.9N·m、1800r/min 1360.0N·m)。另有该实施例的船舶发动机单缸排量为1.723L，则依 据《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、第二阶 段)》要求，第一阶段的排放限值如下：CO：5.0g/kW·h，HC+NOX： 7.2g/kW·h，PM：0.2g/kW·h。

此实施例的试验结果显示，自动运行双燃料模式下，最高甲醇替 代率为53.7％，四个工点中50％和25％功率点的替代率超过50％，100％ 功率点受最大缸压限制而使替代率较低，四个工况点平均替代率为 42.3％。四个工况点下甲醇对柴油的替换比均低于2，最高替换比为 1.88，平均替换比为1.82。应用柴油甲醇双燃料系统及方法的高速船 舶柴油机的动力性不低于原机，经济性大为提升。从排放方面来看， 自动运行双燃料模式下比油耗低于纯柴油模式，四个工况点加权排放 各项指标均低于纯柴油模式，详细来看，CO加权排放量为 0.003g/kW·h，THC加权排放量为0.009g/kW·h，NOX加权排放量为 5.813g/kW·h，soot加权排放量为0.067g/kW·h，均满足中国第一阶 段的排放限值要求。

将各工况下甲醇的理想替代率由台架动态标定于甲醇ECU，而 后应用到实船。

在实船上同样进行了柴油甲醇双燃料系统及方法的应用，试验用 船舶是一艘捕捞渔船，发动机为一台直列六缸水冷四冲程中速船舶主 机，缸径160mm，行程225mm，额定功率184kW，额定转速1000r/min， 排量27.14L，燃油系统为机械式直列泵系统。将该船舶发动机原机由 船柴油模式改装为柴油甲醇双燃料模式，不需对原有的燃油系统做任 何改动，仅需加装一套上述甲醇系统，在进气总管上加装喷醇器总成， 并配备甲醇供给系统、进气温控系统以及甲醇电子控制系统，再加装 DOC催化氧化器，甲醇ECU已根据各工况甲醇理想替代率在台架上 完成标定。采用加装后的发动机能够实现纯柴油模式以及双燃料模式 运行，轮机长按照日常操作流程进行了起停机操作，双燃料模式自动 切换以及一键停机的方式操作简单，容易掌握。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描 述，旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是 适应性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护 的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，还可做出 很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于中高速船舶柴油机的柴油甲醇双燃料系统，包括船舶柴油机原机和原有的燃油系统、柴油ECU(1)；其特征在于，还包括：

在原机基础上直接加装的由甲醇供给系统，喷醇器总成，进气温控系统，甲醇电子控制系统，DOC催化氧化器(20)；

所述喷醇器总成包括：甲醇轨(26)、甲醇喷嘴(25)和甲醇压板(24)，位置选定在进气总管(27)弯管处；所述醇轨与甲醇管路连接，并连接甲醇喷嘴进口端，将甲醇送入甲醇喷嘴，喷嘴出口端与甲醇压板配合，固定于进气总管弯管处，固定方式可选用螺栓紧固或焊接，安装角度须确保甲醇喷射方向与进气气流流线重合；

所述甲醇电子控制系统包括甲醇ECU、控制线束、上位机(2)、故障显示灯、喷醇指示灯、甲醇系统开关(3)、甲醇液位计和固定式甲醇浓度检测仪(10)；所述甲醇ECU(4)通过CAN模式，直接读取原机柴油ECU的转速信号、油门信号、冷却液温度信号和甲醇液位计的液位信号、流量计的流量信号来判断发动机工作状况、甲醇剩余量和甲醇管路的畅通情况，以确定甲醇喷射；所述甲醇ECU还控制进气温控系统，读取进气温度传感器(11)的温度信号，控制电控废气阀门开度，进而通过控制废气引入量实现进气温度的调节；所述上位机作为甲醇喷射控制界面、故障显示灯、甲醇液位计显示界面、甲醇流量计显示界面、甲醇系统开关、喷醇指示灯和固定式甲醇浓度检测仪显示界面的集成，可以同时显示从原机柴油ECU测取的发动机转速、冷却液温度、油门开度，以及甲醇箱液位、甲醇进机流量、机旁和甲醇供给系统附近甲醇浓度、甲醇系统运行状况等信号；所述故障显示灯用于显示各个传感器的信号状态和简单故障指示；所述喷醇指示灯用于显示船舶是否处于双燃料工作模式以及喷醇量的多少；所述甲醇系统开关用于手动调换柴油机工作状态处于柴油甲醇双燃料模式或是原机的纯柴油模式；所述甲醇液位计用于测量甲醇箱液位；所述固定式甲醇浓度检测仪有两个，分别安装在甲醇管路和发动机机旁，检测空气氛围中的甲醇浓度，用以确保甲醇无泄漏所述的甲醇电子控制系统通过CAN模式直接从柴油ECU读取柴油机原机的转速、冷却液温度和油门信号；

所述进气温控系统包括：废气旁通管路(21)、电控废气阀门(22)和进气温度传感器；所述废气旁通管路将DOC后的废气引至压气机进气端；所述电控废气阀门由甲醇ECU控制，用于调节废气引入量，其开度随发动机负荷增大而减小，选用耐高温阀门；所述进气温度传感器用于读取喷醇器前、空气冷却器(13)后这一位置的温度，为电控废气阀门开度提供依据。

2.根据权利要求1所述一种应用于中高速船舶柴油机的柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，所述甲醇喷嘴在0.4MPa压力下静态流量可达700mL/min，喷嘴安装数量根据燃料需求量选定。

3.根据权利要求1或2所述一种应用于中高速船舶柴油机的柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，所述甲醇供给系统包括甲醇箱、甲醇滤清器(16)、甲醇流量计(15)、甲醇泵(12)和甲醇限压阀(8)，所述甲醇箱通过甲醇管路依次与所述甲醇滤清器(16)、甲醇流量计(15)、甲醇泵(12)、甲醇限压阀(8)和喷醇器总成(7)连接。

4.根据权利要求3所述一种应用于中高速船舶柴油机的柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，所述甲醇限压阀前设有回流醇管，多余的甲醇经回流醇管回到甲醇箱。

5.对权利要求1所述柴油甲醇双燃料系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：启动时采用纯柴油模式，启动后打开甲醇ECU开关，甲醇ECU会依据发动机的运行状态作出判断，小负荷时仍采用纯柴油模式，当发动机转速、油门开度、冷却液温度及甲醇液位满足甲醇喷射条件时，发动机会自行切换到柴油/甲醇双燃料工作模式，依照标定好的甲醇MAP确定喷醇量，若判定条件不满足时，甲醇系统则不会工作；

步骤2：随着发动机转速降低，当发动机工作参数脱离甲醇系统工作范围时，甲醇ECU会自动控制甲醇喷嘴停止喷醇；发动机停机后，关闭甲醇系统开关，即可实现甲醇系统的停机；甲醇系统停止工作，而发动机仍能以纯柴油模式运行，满足船级社对于双燃料发动机的各项要求；

步骤3：当船舶柴油机运行于中小负荷时，甲醇ECU通过读取进气温度传感器的参数，控制电控废气阀门开度，改变废气引入量，进而调节进气温度至甲醇最佳蒸发温度，提高热效率。

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