CN113217180A - 一种低排放高速大功率船用气体机系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低排放高速大功率船用气体机系统及控制方法。采用的技术方案是：包括燃气供给系统、进排气系统、电控系统，所述燃气供给系统用于调整高压天然气压力，所述进排气系统用于调节进排气流量，所述电控系统用于控制并反馈调节燃气供给系统与进排气系统运行。本发明的有益效果：本发明提高了发动机动态响应性，燃气高压喷射提高了甲烷在混合气内的平均摩尔稳定值，进一步提高了发动机稀燃上限，大幅降低NOX排放量；采用燃气高压喷射，匹配小规格燃气喷射阀即可满足高功率需求，降低成本；本发明采用“节气门+bypass阀”动态脉谱调整方式实现了增压器全工况动态调整，拓宽了增压器适用范围，有效避免喘振，实现空燃比全程精确控制。

Description

一种低排放高速大功率船用气体机系统及控制方法
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，特别涉及船用气体燃料发动机领域，具体涉及一种低排放高速大功率船用气体机系统及控制方法。
背景技术
国家环保和航运部门对船舶发动机排放提出了更高要求。我国内河、近海船舶主动力主要为柴油机，其排放的NOx、SOx和颗粒物已经成为河流及周边生态环境主要污染源之一。自2021年7月起，国家将按GB15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》第二阶段(以下简称C2)执行排放限制，采用LNG代替传统的柴油燃料已经成为降低内河和近海船舶发动机排放最现实、有效的方案。
船用气体机近年来发展较快，前期以预混合式气体机为主，实现了燃料的清洁燃烧，但动态响应差、甲烷逃逸及HC排放浓度高，难以满足船用主推动力对高动态响应性及C2排放标准要求。
现有技术中，专利202010931280.3公布了一种发电用气体机控制方法、装置、ECU和发电用气体机，通过获取发电用气体机工作参数：节气门前进气压力、节气门后进气压力，判断所述发电用气体机是否处于高负荷状态；若处于高负荷状态则对进气旁通阀进行开度调节。本发明仅对发电用气体机增压系统进行改进，以解决高负荷状态下输出功率和转速的稳定。专利 201910942190.1公布了一种气体机的控制方法及装置，通过获取气体机的实际进气温度，查询“进气温度-计算系数”对照表得到所述实际温度对应的计算系数，对空燃比MAP中各空燃比进行更新，利用更新后的空燃比MAP表控制气体机运行。该技术仅是气体机各工况下空燃比的在线更新，拓宽了气体机的适用空间范围，但无法解决船用气体机对低排放、高响应的需求难题。专利 201910017999.3公布了一种低热值燃气高效增压喷射稀薄燃烧综合控制系统，采用燃气/空气单独增压中冷、多点喷射、预燃室点火等措施旨在提高内燃机热效率、降低排放及高效可靠运行。但该系统结构复杂，配置成本高，且仅适用于陆用低热值燃气气体机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种低排放高速大功率船用气体机系统，有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低排放高速大功率船用气体机系统，采用的技术方案是，包括燃气供给系统、进排气系统、电控系统；
所述燃气供给系统由手动截止阀、主气体燃料阀、过滤器、自动截止阀与调压阀组成，用于调整高压天然气压力；
所述进排气系统由空滤器、增压器、中冷器、bypas阀、节气门与进气总管组成，用于调节进排气流量；
所述电控系统包括ECU、点火系统、爆震系统、与多组传感器，用于控制并反馈调节燃气供给系统与进排气系统运行。
作为本发明的一种优选技术方案，所述燃气供给系统包括手动截止阀，所述手动截止阀依次连通主气体燃料阀、过滤器、自动截止阀、调压阀与双层壁燃气轨，高压天然气经过双层壁燃气轨进入进气歧管根部的燃气喷射阀，在燃气喷射阀开启持续期内喷入进气歧管，在进气歧管内与增压空气初步混合。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高压燃气控制在6～9barg，经调压阀向双层壁燃气轨提供5～7barg高压燃气，所述燃气高压喷射选用小规格燃气喷射阀。
作为本发明的一种优选技术方案，所述调压阀经过的高压燃气可根据发动机特性需求进行调整匹配，在满足燃烧性能前提下实现燃气喷射阀出口燃气声速流动。
作为本发明的一种优选技术方案，所述燃气喷射阀后采用夹角多孔式喷嘴进入气缸盖进气道，燃气的高压喷射在保证燃气快速进入燃烧室的同时产生强大气流扰动促进燃气空气混合。
作为本发明的一种优选技术方案，所述进排气系统包括空滤器，所述空滤器依次连通增压器、中冷器、节气门与进气总管，空气经过所述进排气系统进入气缸，所述中冷器后端设置有bypas阀，所述bypas阀控制阀门的开度，实现增压器的全工况调节。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电控系统传感器包括燃气压力传感器FGP、燃气温度传感器FGT、节气门前增压空气压力传感器MAP1、节气门后增压空气压力传感器MAP2、增压空气温度传感器MAT、氧传感器Lambda、曲轴转角传感器Speed与凸轮轴相位传感器TDC。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电控系统包括ECU、点火系统与爆震系统，所述燃气压力传感器FGP和燃气温度传感器FGT安装于双层壁燃气轨内侧，分别为ECU提供供给天然气的压力和温度信号，所述节气门前增压空气压力传感器MAP1安装在中冷器后部与节气门前端，节气门后增压空气压力传感器MAP2和增压空气温度传感器MAT安装于空气管路的进气总管内侧中冷器后端，分别为ECU提供供给节气门前后增压空气的压力和温度信号，所述氧传感器Lambda安装于增压器后的排气管路，为ECU提供实际λ动态调整节气门开度；所述曲轴转角传感器Speed安装于飞轮端，为ECU提供曲轴转角信号，所述凸轮轴相位传感器TDC安装于减振端凸轮轴正时磁钉处，用于判定气缸Ⅰ上死点。
作为本发明的一种优选技术方案，所述燃气喷射阀的开启关闭由ECU 控制，利用凸轮轴相位传感器TDC、曲轴转角传感器Speed的信号，结合发动机发火顺序，定时定量喷射燃气，所述点火系统采用普通点火模式，采用常规点火控制器、高压包与开式火花塞，所述爆震系统利用发动机本体安装的爆震传感器进行爆震判断。
本发明的控制方法为：当发动机启动时，ECU根据标定启动空气量和设定λ计算燃气喷射量，根据内置燃气喷射阀流量特性确定喷射持续期；
当实际燃气压力与燃气喷射阀流量特性曲线对应压力不一致时，根据“特性曲线压力+实际燃气压力”进行燃气喷射持续期持续期修正。
当发动机进入怠速状态暖机，此时进入PID调速模式，ECU根据设定转速计算燃气喷射量，结合燃气喷射阀流量特性确定喷射持续期；
若燃气压力高，持续期较短，燃气喷射阀计量不精确或喷射阀开启控制不良导致各气缸喷射不一致，或多气缸喷射量较小，引起多缸不点火，燃烧恶化，此时可以推迟点火提前角或加大空燃比强制拉长持续期，避开非线性区或喷射阀开启控制差区间。
当怠速结束后进入正常作业工况，持续PID调速。燃气喷射阀按照全局喷射正时脉谱图及单阀喷射正时修正脉谱图完成燃气定时定量喷射，节气门控制节气门开度，进行空燃比开环控制。
当发动机突加负荷时，ECU在PID调速基础上采用“燃气补偿”策略，高压燃气的快速响应协同“燃气补偿”的快速加油，保证了发动机快速响应，同时bypas阀快速减小开度甚至全关；
当发动机突卸负荷时，ECU在PID调速基础上采用“燃气补偿”策略，高压燃气的快速响应协同“燃气补偿”的快速减油，并配合“断油”策略保证了发动机快速响应，同时bypas阀快速增大开度甚至全开。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提高了发动机动态响应性，经台架验证，发动机突加突卸稳定时间控制在5秒左右；燃气高压喷射提高了甲烷在混合气内的平均摩尔稳定值，进一步提高了发动机稀燃上限，大幅降低NOX排放量。缸内均质混合气的充分燃烧降低了CH4、HC、CO排放，经台架排放测试，排放满足C2标准；
(2)本发明采用燃气高压喷射，匹配小规格燃气喷射阀即可满足高功率需求，降低成本，同时利用高压燃气缩短喷射持续期，避开多缸发动机发火间隔角，有效避开多缸喷射阀同时开启工作时互相抢气，保证各喷射阀喷射一致性，进而保证各缸工作均匀性；
(3)本发明采用“节气门+bypass阀”动态脉谱调整方式实现了增压器全工况动态调整，拓宽了增压器适用范围，有效避免喘振，实现空燃比全程精确控制，提高了发动机怠速、低负荷下工作稳定性及各缸均匀性，保证了增压器高效区运行。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为本发明的燃气供给系统图。
图中：1、空滤器；2、增压器；3、中冷器；4、bypass阀；5、节气门；6、进气总管；7、燃气喷射阀Ⅰ；8、燃气喷射阀Ⅱ；9、燃气喷射阀Ⅲ； 10、燃气喷射阀Ⅳ；11、燃气喷射阀Ⅴ；12、燃气喷射阀Ⅵ；13、双层壁燃气轨；14、气缸Ⅰ；15、气缸Ⅱ；16、气缸Ⅲ；17、气缸Ⅳ；18、气缸Ⅴ；19、气缸Ⅵ；20、手动截止阀；21、主气体燃料阀；22、过滤器；23、压力传感器；24、自动透气阀；25、自动截止阀；26、调压阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1至图2所示，本发明所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统及控制方法，采用的技术方案是，包括燃气供给系统、进排气系统、电控系统，所述燃气供给系统由手动截止阀20、主气体燃料阀21、过滤器22、自动截止阀25与调压阀26组成，用于调整高压天然气压力，所述进排气系统由空滤器1、增压器2、中冷器3、bypas阀4、节气门5与进气总管6组成，用于调节进排气流量，所述电控系统包括ECU、点火系统、爆震系统、与多组传感器，用于控制并反馈调节燃气供给系统与进排气系统运行。
进一步地，所述燃气供给系统包括手动截止阀20，所述手动截止阀20 依次连通主气体燃料阀21、过滤器22、自动截止阀25、调压阀26与双层壁燃气轨13，船舶LNG储气罐中LNG气化后转化为高压天然气，高压天然气经过双层壁燃气轨13进入进气歧管根部的燃气喷射阀7至12，在燃气喷射阀7至12 开启持续期内喷入进气歧管，在进气歧管内与增压空气初步混合进入气缸14 至19。
进一步地，LNG气化后高压燃气控制在6～9barg，经调压阀26向双层壁燃气轨提供5～7barg高压燃气，可保证高速大功率船用气体机良好的动态响应，突加突卸能力强，所述燃气高压喷射选用小规格燃气喷射阀7至12，即可满足高功率需求，降低成本，同时利用高压燃气缩短喷射持续期，避开多缸发动机发火间隔角，有效避开多缸燃气喷射阀7至2同时开启工作时互相抢气，保证各燃气喷射阀7至12喷射一致性，进而保证各缸14至19工作均匀性。
进一步地，所述调压阀26经过的高压燃气可根据发动机特性需求进行调整匹配，在满足燃烧性能前提下实现燃气喷射阀7至12出口燃气声速流动，此时燃气流量速率与调压阀26后的燃气压力线性相关，可满足燃气喷射持续期的精确控制。
进一步地，所述燃气喷射阀7至12后采用夹角多孔式喷嘴进入气缸盖进气道，燃气的高压喷射在保证燃气快速进入燃烧室的同时产生强大气流扰动促进燃气空气混合，加之燃烧室内湍流、滚流作用，提高混合气的混合均匀性，实现均质燃烧。其次燃气高压喷射可提高甲烷在混合气内的平均摩尔稳定值。促进缸内燃气充分燃烧，提高热效率；充分燃烧降低CH4、HC、CO排放量，同时混合气混合均匀性提高及高甲烷平均摩尔稳定值可进一步提高燃烧系统稀燃上限，大幅降低缸内燃烧最高温度，从而大幅降低NOX排放量，保证发动机整体排放满足C2标准。
进一步地，所述燃气喷射阀7至12的开启关闭由ECU控制，利用凸轮轴相位传感器TDC、曲轴转角传感器Speed的信号，结合发动机发火顺序，定时定量喷射燃气。
进一步地，所述进排气系统包括空滤器1，所述空滤器1依次连通增压器2、中冷器3、节气门5与进气总管6，空气经过所述进排气系统进入气缸 14至19，所述中冷器3后端设置有bypas阀4，将增压后空气旁通至增压器2 入口。所述节气门5由ECU根据“转速-负荷-开度”脉谱图控制开度，进行开环控制。该控制模式直接查表控制节气门5开度，响应速度快。也可由ECU根据“压比(节气门前后增压压力比值)-空气流量-开度”脉谱图结合“转速- 负荷-λ(过量空气系数)”控制节气门5开度，进行开环控制：基于设定λ和 PID计算燃气量值计算所需空气量，结合当前工况下压比查表“压比-空气流量 -开度”脉谱图得出节气门5开度，由ECU发出指令控制节气门5执行。
进一步地，所述bypas阀4由ECU根据“转速-负荷-开度”脉谱图控制阀门的开度，实现增压器2的全工况调节，提高了增压器2的高原、高温、高寒适用性以及发动机的全工况匹配性。同时bypas阀4辅助调节也提高了发动机突加、突卸时的动态响应性。
进一步地，“节气门5+Bypass阀4”动态脉谱调整方式实现了增压器2 全工况动态调整，拓宽了增压器2适用范围，有效避免喘振，实现空燃比全程精确控制，提高了发动机怠速、低负荷下工作稳定性及各缸均匀性，保证了增压器2高效区运行。
进一步地，所述电控系统包括ECU、点火系统、爆震系统、燃气压力传感器FGP、燃气温度传感器FGT、节气门5前增压空气压力传感器MAP1、节气门5后增压空气压力传感器MAP2、增压空气温度传感器MAT、氧传感器Lambda、曲轴转角传感器Speed、凸轮轴相位传感器TDC等。所述FGP和FGT安装于双层壁燃气轨13，分别为ECU提供供给天然气的压力和温度信号。所述MAP 1 安装在中冷器3后节气门5前，MAP 2和MAT安装于空气管路的进气总管6，位于中冷器3之后，分别为ECU提供供给节气门5前后增压空气的压力和温度信号。所述氧传感器Lambda安装于增压器2后的排气管路，为ECU提供实际λ，动态调整节气门5开度。所述Speed安装于飞轮端，为ECU提供曲轴转角信号，所述TDC安装于减振端凸轮轴正时磁钉处，用于判定Ⅰ缸上死点。
进一步地，所述点火系统采用普通点火模式：常规点火控制器、高压包及开式火花塞。该系统无需高能点火即可实现高λ稀薄燃烧，大幅降低了NOX排放。
进一步地，所述爆震系统利用发动机本体安装的爆震传感器进行爆震判断，保障发动机安全运行。
发动机启动时，ECU根据标定启动空气量和设定λ计算燃气喷射量，根据内置燃气喷射阀流量特性确定喷射持续期。当实际燃气压力与燃气喷射阀 7～12流量特性曲线对应压力不一致时，根据“特性曲线压力+实际燃气压力”进行燃气喷射持续期持续期修正。
启动成功后进入怠速状态暖机，此时进入PID调速模式，ECU根据设定转速计算燃气喷射量，结合燃气喷射阀7至12流量特性确定喷射持续期。若燃气压力高时，持续期较短，燃气喷射阀7至12计量不精确或喷射阀开启控制不良导致各缸14至19喷射不一致，或多缸14至19喷射量较小，引起多缸不点火，燃烧恶化，此时可以推迟点火提前角或加大空燃比强制拉长持续期，避开非线性区或喷射阀开启控制差区间，提高燃气喷射阀7至12控制精度，改善怠速运行状态。
怠速结束后进入正常作业工况，持续PID调速。燃气喷射阀7至12按照全局喷射正时脉谱图及单阀喷射正时修正脉谱图完成燃气定时定量喷射。节气门5根据“转速-负荷-开度”脉谱图或“压比-空气流量-开度”脉谱图+“转速-负荷-λ”控制节气门5开度，进行空燃比开环控制。bypas阀4由ECU根据“转速-负荷-开度”脉谱图进行开环控制。点火系统根据“转速-负荷-点火提前角”脉谱图全工况动态调整点火角度，结合燃气喷射阀7至12、节气门 5、bypas阀4的动态调整实现发动机全工况排放、热效率最优匹配。为保证发动机的燃烧性能，根据实际需求调整调压阀26的燃气出口压力，满足燃气喷射持续期要求。
突加负荷时，ECU在PID调速基础上采用“燃气补偿”策略，高压燃气的快速响应协同“燃气补偿”的快速加油，保证了发动机快速响应。同时bypas 阀4快速减小开度甚至全关，加快了增压空气的响应速度，进一步提高了发动机动态响应速度。
突卸负荷时，ECU在PID调速基础上采用“燃气补偿”策略，高压燃气的快速响应协同“燃气补偿”的快速减油，并配合“断油”策略保证了发动机快速响应。同时bypas阀4快速增大开度甚至全开，加快了增压空气的响应速度，进一步提高了发动机动态响应速度。同时bypas阀4的介入也降低了增压器2喘振风险。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，可根据需要采用空燃比闭环进行节气门5 闭环控制，提高空燃比控制精度，保证排放稳定性，并有效抑制高负荷工况下的爆震和失火。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种低排放高速大功率船用气体机系统，其特征在于：包括燃气供给系统、进排气系统、电控系统；
所述燃气供给系统包括手动截止阀、主气体燃料阀、过滤器、自动截止阀与调压阀，用于调整高压天然气压力；
所述进排气系统包括空滤器、增压器、中冷器、bypas阀、节气门与进气总管，用于调节进排气流量；
所述电控系统包括ECU、点火系统、爆震系统、与多组传感器，用于控制并反馈调节燃气供给系统与进排气系统运行。
2.根据权利要求1所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统，其特征在于：所述燃气供给系统包括手动截止阀，所述手动截止阀依次连通主气体燃料阀、过滤器、自动截止阀、调压阀与双层壁燃气轨，高压天然气经过双层壁燃气轨进入进气歧管根部的燃气喷射阀，在燃气喷射阀开启持续期内喷入进气歧管，在进气歧管内与增压空气初步混合。
3.根据权利要求1所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统，其特征在于：所述高压燃气控制在6～9barg，经调压阀向双层壁燃气轨提供5～7barg高压燃气，所述燃气高压喷射选用小规格燃气喷射阀。
4.根据权利要求1所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统，其特征在于：所述调压阀经过的高压燃气可根据发动机特性需求进行调整匹配，在满足燃烧性能前提下实现燃气喷射阀出口燃气声速流动。
5.根据权利要求1所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统，其特征在于：所述燃气喷射阀后采用夹角多孔式喷嘴进入气缸盖进气道，燃气的高压喷射在保证燃气快速进入燃烧室的同时产生强大气流扰动促进燃气空气混合。
6.根据权利要求1所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统，其特征在于：所述进排气系统包括空滤器，所述空滤器依次连通增压器、中冷器、节气门与进气总管，空气经过所述进排气系统进入气缸，所述中冷器后端设置有bypas阀，所述bypas阀控制阀门的开度，实现增压器的全工况调节。
7.根据权利要求1所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统，其特征在于：所述电控系统传感器包括燃气压力传感器FGP、燃气温度传感器FGT、节气门前增压空气压力传感器MAP1、节气门后增压空气压力传感器MAP2、增压空气温度传感器MAT、氧传感器Lambda、曲轴转角传感器Speed与凸轮轴相位传感器TDC。
8.根据权利要求1所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统，其特征在于：所述电控系统包括ECU、点火系统与爆震系统，所述燃气压力传感器FGP和燃气温度传感器FGT安装于双层壁燃气轨内侧，分别为ECU提供供给天然气的压力和温度信号，所述节气门前增压空气压力传感器MAP1与节气门后增压空气压力传感器MAP2分别安装在中冷器后部与节气门前端，增压空气温度传感器MAT安装于空气管路的进气总管内侧中冷器后端，分别为ECU提供节气门前后增压空气的压力和温度信号，所述氧传感器Lambda安装于增压器后的排气管路，为ECU提供实际λ动态调整节气门开度；所述曲轴转角传感器Speed安装于飞轮端，为ECU提供曲轴转角信号，所述凸轮轴相位传感器TDC安装于减振端凸轮轴正时磁钉处，用于判定气缸Ⅰ上死点。
9.根据权利要求1所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统，其特征在于：所述燃气喷射阀的开启关闭由ECU控制，利用凸轮轴相位传感器TDC、曲轴转角传感器Speed的信号，结合发动机发火顺序，定时定量喷射燃气，所述点火系统采用普通点火模式，采用常规点火控制器、高压包与开式火花塞，所述爆震系统利用发动机本体安装的爆震传感器进行爆震判断。
10.根据权利要求1所述的一种低排放高速大功率船用气体机系统的控制方法，其特征在于：
(1)当发动机启动时，ECU根据标定启动空气量和设定λ计算燃气喷射量，根据内置燃气喷射阀流量特性确定喷射持续期；
当实际燃气压力与燃气喷射阀流量特性曲线对应压力不一致时，根据“特性曲线压力+实际燃气压力”进行燃气喷射持续期持续期修正；
(2)当发动机进入怠速状态暖机，此时进入PID调速模式，ECU根据设定转速计算燃气喷射量，结合燃气喷射阀流量特性确定喷射持续期；
若燃气压力高，持续期较短，燃气喷射阀计量不精确或喷射阀开启控制不良导致各气缸喷射不一致，或多气缸喷射量较小，引起多缸不点火，燃烧恶化，此时可以推迟点火提前角或加大空燃比强制拉长持续期，避开非线性区或喷射阀开启控制差区间；
(3)当怠速结束后进入正常作业工况，持续PID调速。燃气喷射阀按照全局喷射正时脉谱图及单阀喷射正时修正脉谱图完成燃气定时定量喷射，节气门控制节气门开度，进行空燃比开环控制；
(4)当发动机突加负荷时，ECU在PID调速基础上采用“燃气补偿”策略，高压燃气的快速响应协同“燃气补偿”的快速加油，保证了发动机快速响应，同时bypas阀快速减小开度甚至全关；
(5)当发动机突卸负荷时，ECU在PID调速基础上采用“燃气补偿”策略，高压燃气的快速响应协同“燃气补偿”的快速减油，并配合“断油”策略保证了发动机快速响应，同时bypas阀快速增大开度甚至全开。
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