CN113217206A - 船用中高速油气双电控双燃料发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及船用中高速油气双电控双燃料发动机，船用中高速油气双电控双燃料发动机，包括：燃油高压喷射电控组合泵，通过联轴节由发动机齿轮室进行驱动；喷油电磁阀，设置于每缸柱塞出油处，通过油气双控ECU中的燃油控制部分进行燃油喷射时刻与油量控制；天然气喷射系统共轨管，其每缸分别设置燃气喷射电磁阀，燃气喷射电磁阀的开启与关闭通过油气双控ECU中的燃气部分进行控制，燃气通过波纹管以及燃气引射管直接喷射至气缸盖进气口部位。同时公开了船用中高速油气双电控双燃料发动机的工作方法，其根据电控泵硬件参数ECU自动计算所需喷射油量及脉宽等参数，基于转速及排气温度差进行油量修正，从而实现发动机转速调节功能。
Description
技术领域
本发明涉及船用发动机技术领域，具体为船用中高速油气双电控双燃料发动机。
背景技术
目前，船用双燃料发动机燃油供给普遍采用机械泵控制的方式，对于发动机的不同负荷及不同的工作模式下(燃油模式与双燃料模式)，发动机只能采取相同的供油提前角度，无法单独进行燃烧优化，导致机械泵控制方式双燃料发动机替代率较低，排放较差，无法满足日益严格的船舶发动机排放限值要求。目前，机械泵以及电控泵双燃料发动机一般采用控油调速的方式，发动机处于双燃料模式状态下，实际喷射油量较少，导致发动机转速波动，发动机低负荷下无法进入双燃料模式状态，同时也限制了双燃料模式下燃气替代率提高空间。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供船用中高速油气双电控双燃料发动机，通过调节燃油电控泵来实现发动机不同工作模式下的调速目的，其根据电控泵硬件参数ECU自动计算所需喷射油量及脉宽等参数，基于转速及排气温度差进行油量修正，从而实现发动机转速调节功能。根据发动机当前工作状态的转速与增压压力传感器数据反馈，发动机不同工作模式及不同负荷下的供油提前角度自动与Map图相匹配。燃油电控泵系统每缸均设置喷油电磁阀，通过电控系统可以检测到电磁阀的工作状态，如发生异常时，控制系统可以从双燃料模式自动切换为纯燃油模式，保障发动机的运行安全性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
船用中高速油气双电控双燃料发动机，包括：
燃油高压喷射电控组合泵，通过联轴节由发动机齿轮室进行驱动；
喷油电磁阀，设置于每缸柱塞出油处，通过油气双控ECU中的燃油控制部分进行燃油喷射时刻与油量控制；
天然气喷射系统共轨管，其每缸分别设置燃气喷射电磁阀，燃气喷射电磁阀的开启与关闭通过油气双控ECU中的燃气部分进行控制，燃气通过波纹管以及燃气引射管直接喷射至气缸盖进气口部位。
进一步的，天然气喷射系统共轨管为双壁结构，内侧为燃气供给轨管，外侧为通风管路。
进一步的，为提高双燃料发动机的安全性能，进气管设置第一防爆安全阀，排气管设置第二防爆安全阀，发动机曲轴箱设置第三防爆安全阀，用于紧急情况下释放爆炸压力。
进一步的，发动机曲轴各主轴承分别设轴承温度探测器，当检测到轴承温度异常时，发动机控制系统进行报警，模式转换甚至紧急停车保护动作。
进一步的，发动机排气管每缸分别设置热电偶，用于检测发动机各缸排气温度，便于发动机综合控制发动机各缸燃烧状况，基于各缸排气温度检测，可以实现发动机各缸排温修正，对温度低于平均值设定幅度范围内的气缸进行燃料喷射量修正。
船用中高速油气双电控双燃料发动机的工作方法，包括如下步骤：
a.发动机依靠曲轴相位与凸轮轴相位传感器判定发动机曲轴位置及凸轮轴位置状态；
b.燃油模式时，采集发动机转速和增压压力数据，发动机起动成功后自动匹配燃油提前角MAP进行工作；
燃气模式时，采集发动机转速和增压压力数据，自动匹配燃油提前角MAP与燃气喷射脉宽量MAP进行工作。
进一步的，发动机不同工作模式下的调速均通过油量调节来实现，当发动转速高于或低于设定转速时，通过减少或增加油量来实现调速目的。
进一步的，油气双电控控制系统通电后，首先进行系统自检，若起动成功则按发动机怠速模式运行，若起动失败则重新进行系统自检并发出报警。
进一步的，燃油模式转燃气模式仅支持手动转换模式，无报警故障时可以成功进入燃气模式。
进一步的，燃气模式转为燃油模式具有手动和自动两种转换模式，手动模式一键切换，自动模式为系统检测到发生故障时自动退出燃气模式，切换为燃油模式。
本发明的有益效果：
(1)通过调节燃油电控泵来实现发动机不同工作模式下的调速目的，其根据电控泵硬件参数ECU自动计算所需喷射油量及脉宽等参数，基于转速及排气温度差进行油量修正，从而实现发动机转速调节功能。根据发动机当前工作状态的转速与增压压力传感器数据反馈，发动机不同工作模式及不同负荷下的供油提前角度自动与Map图相匹配。燃油电控泵系统每缸均设置喷油电磁阀，通过电控系统可以检测到电磁阀的工作状态，如发生异常时，控制系统可以从双燃料模式自动切换为纯燃油模式，保障发动机的运行安全性。
(2)采用燃油ECU和燃气ECU两个ECU协同工作，二者通过CAN通讯实现协同工作。燃油ECU实现了对燃油模式燃油单缸喷射时刻及喷射量的单缸柔性控制及双燃料模式引燃燃油的喷射量及喷射时刻控制；燃气ECU实现对双燃料模式的燃气喷射量及喷射时刻的单缸柔性控制；ECU具有通过控制燃料喷射量具有调速功能。
(3)采用双ECU协同控制，燃油和燃气控制均采用分缸控制，分缸调节方法。通过协同控制提高了发动机燃油模式运行的各缸的均匀性，大幅提高了双燃料模式燃油替代率，提高了发动机整机的经济性；另外采用协同控制精确柔性控制，优化缸内燃烧降低排放，达到了严苛的排放限值要求；再次，采用双ECU协同工作，燃气ECU故障可继续采用燃油ECU燃油模式工作，提高了船舶运行的安全性。
(4)采用电控泵燃油供给，可以实现燃油模式和双燃料模式的燃油喷射正时和喷射量的柔性控制，能进行燃油模式和双燃料模式全负荷点的燃油喷射精确控制，优化发动机全工况点的燃烧，特别是低负荷点的燃烧，大幅提高了双燃料模式替代率，最高替代率达到91％，拓宽了双燃料模式运行区间，发动机10％负荷点实现了双燃料模式运行且燃油替代率超过50％，排放指标达到了2021年7月1日即将实施的船舶发动机第二阶段的排放标准。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的控制系统原理图；
图4是本发明的控制策略图；
图中:
1.燃油高压喷射电控组合泵，2.喷油电磁阀，3.天然气喷射系统共轨管，4.燃气喷射电磁阀，5.波纹管，6.燃气引射管，7.气缸盖，8.油气双控ECU，9.轴承温度探测器，10.第一防爆安全阀，11.第二防爆安全阀，12.第三防爆安全阀，13.热电偶
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1、2所示，燃油高压喷射电控组合泵1，其通过联轴节由发动机齿轮室进行驱动，每缸柱塞出油处分别设置喷油电磁阀2，它的控制通过油气双控ECU 8中的燃油控制部分进行燃油喷射时刻与油量控制；序号3为天然气喷射系统共轨管，其为双壁结构，内侧为燃气供给轨管，外侧为通风管路，其每缸分别设置燃气喷射电磁阀4，燃气喷射电磁阀4的开启与关闭通过油气双控ECU 8中的燃气部分进行控制，燃气通过5波纹管以及6燃气引射管直接喷射至气缸盖7进气口部位。
发动机燃油模式下，发动机调速通过控制油量来实现；双燃料状态下，当燃油量高于设定数值或设定比例时，发动机调速通过控制油量来实现，当燃油量低于设定数值或设定比例时，燃气量占燃料消耗量主体时，采用控制天然气喷射量地方式来实现发动机调速。
为提高双燃料发动机的安全性能，其进气管设置第一防爆安全阀10，排气管设置第二防爆安全阀11，发动机曲轴箱设置第三防爆安全阀12，用于紧急情况下释放爆炸压力。发动机曲轴各主轴承分别设轴承温度探测器9，当检测到轴承温度异常时，发动机控制系统进行报警，模式转换甚至紧急停车保护动作。
发动机排气管每缸分别设置热电偶13，用于检测发动机各缸排气温度，便于发动机综合控制发动机各缸燃烧状况，基于各缸排气温度检测，可以实现发动机各缸排温修正，对温度低于平均值设定幅度范围内的气缸进行燃料喷射量修正。
通过ECU的控制实现多点顺序喷射及分缸控制，实现不同负荷及不同工作模式下燃油与燃气的独立控制，以及发动机燃烧供油提前角的改变，从而实现优化缸内燃烧，提高天然气替代率，降低发动机排放的目标，目前该油气双电控双燃料发动机已达到GB 15097中国第二阶段排放限值要求。
如图3所示，具体工作原理：
油气双电控控制系统通电后，首先进行系统自检，若起动成功则按发动机怠速模式运行，若起动失败则重新进行系统自检并发出报警。发动机依靠曲轴相位与凸轮轴相位传感器判定发动机曲轴位置及凸轮轴位置状态。
根据发动机转速及增压压力采集的数据，发动机起动成功后自动匹配燃油供油提前角进行工作。燃油模式转燃气模式仅支持手动转换，无报警故障时可以成功进入燃气模式。燃气模式转为燃油模式则具有手动与自动模式，手动模式一键切换，而自动模式为系统检测到发生故障时自动退出燃气模式，切换为纯燃油模式。双燃料发动机燃气模式需要采集转速、增压压力信号，并自动与标定MAP图匹配相应的燃气喷射脉宽量与燃油供油提前角。
双燃料发动机的燃油喷射与燃气喷射均具有独立的电子控制单元，两者之间交互通讯相关数据。发动机不同工作模式下的调速均通过油量调节来实现，当发动转速高于或低于设定转速时，通过减少或增加油量来实现调速目的。燃油电控泵系统每缸均设置喷油电磁阀，通过电控系统可以检测到电磁阀的工作状态，如发生异常时，控制系统可以从双燃料模式自动切换为纯燃油模式，保障发动机的运行安全性。
本专利采用油气双电控技术，对于燃油及燃气分别通过独立的ECU进行控制，燃油系统采用高压电控泵，每缸分别设置独立的燃油喷射电磁阀；燃气供给系统采用燃气共轨管结构设计，减少燃气压力波动对发动机供气的影响，气歧管准内混式结构，并采用多点式顺序喷射技术，每缸分别设置独立的燃气喷射电磁阀，减少发动机扫气过程造成的燃气损失并提高各缸燃料供应一致性。
发动机处于燃油模式下，其调速通过控制油量来实现；双燃料状态下，当燃油量高于设定数值或设定比例时，发动机调速通过控制油量来实现，当燃油量低于设定数值或设定比例时，燃气量占燃料消耗量主体时，采用控制天然气喷射量地方式来实现发动机调速。
发动机进气管设置旁通阀，与排气管氧传感器反馈参数形成闭环控制，以便于更好调节空燃比，达到优化燃烧的效果。基于各缸排气温度传感器数据反馈，双燃料控制系统具备排温修正功能，使各缸排温热负荷保持较好的一致性。另外，发动机设置独立的安保模块，安保模块与双燃料发动机控制系统ECU进行交互数据通讯，可以实现发动机的报警与停车保护以及本地、远程调速功能。通过以上措施从而实现不同运行负荷及不同燃料工作模式的分别优化，实现发动机的燃烧优化，提高发动机的瞬态响应指标，经济性，安全型和低排放性。
如图4所示，燃油喷射与燃气喷射采用独立的ECU进行控制，两者之间进行数据交互通讯，通过左侧的传感器采集发动机的燃油温度、发动机转速、增压空气压力(采用一用一备的冗余模式设计)、冷却水温度、天然气压力、天然气温度、进气旁通阀开度、尾气中氧浓度等参数，还包括控制系统的执行部件，分别为燃油电磁阀与燃气供给电磁阀，燃油供给采用高压燃油电控泵方式，燃气供给采用燃气共轨管的方式，进气歧管多点顺序喷射，具有补偿功能，实现燃料分缸控制。
发动机处于燃油模式下，其调速通过控制油量来实现；双燃料状态下，当燃油量高于设定数值或设定比例时，发动机调速通过控制油量来实现，当燃油量低于设定数值或设定比例时，燃气量占燃料消耗量主体时，采用控制天然气喷射量地方式来实现发动机调速。
发动机进气管设置旁通阀，与排气管氧传感器反馈参数形成闭环控制，以便于更好调节空燃比，达到优化燃烧的效果。基于各缸排气温度传感器数据反馈，双燃料控制系统具备排温修正功能，使各缸排温热负荷保持较好的一致性。
还包括发动机独立的安保模块，安保模块与双燃料发动机控制系统ECU进行交互数据通讯，可以实现发动机的报警与停车保护功能，参数包括发动机转速、机油压力、机油温度、各缸排气温度、各档轴承温度等，并可以实现本地及远程调速功能。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.船用中高速油气双电控双燃料发动机，其特征在于，包括：
燃油高压喷射电控组合泵(1)，通过联轴节由发动机齿轮室进行驱动；
喷油电磁阀(2)，设置于每缸柱塞出油处，通过油气双控ECU(8)中的燃油控制部分进行燃油喷射时刻与油量控制；
天然气喷射系统共轨管(3)，其每缸分别设置燃气喷射电磁阀(4)，燃气喷射电磁阀(4)的开启与关闭通过油气双控ECU(8)中的燃气部分进行控制，燃气通过波纹管(5)以及燃气引射管(6)直接喷射至气缸盖(7)进气口部位。
2.根据权利要求1所述的船用中高速油气双电控双燃料发动机，其特征在于，
天然气喷射系统共轨管(3)为双壁结构，内侧为燃气供给轨管，外侧为通风管路。
3.根据权利要求1所述的船用中高速油气双电控双燃料发动机，其特征在于，
为提高双燃料发动机的安全性能，进气管设置第一防爆安全阀(10)，排气管设置第二防爆安全阀(11)，发动机曲轴箱设置第三防爆安全阀(12)，用于紧急情况下释放爆炸压力。
4.根据权利要求1所述的船用中高速油气双电控双燃料发动机，其特征在于，
发动机曲轴各主轴承分别设轴承温度探测器(9)，当检测到轴承温度异常时，发动机控制系统进行报警，模式转换甚至紧急停车保护动作。
5.根据权利要求1所述的船用中高速油气双电控双燃料发动机，其特征在于，
发动机排气管每缸分别设置热电偶(13)，用于检测发动机各缸排气温度，便于发动机综合控制发动机各缸燃烧状况，基于各缸排气温度检测，可以实现发动机各缸排温修正，对温度低于平均值设定幅度范围内的气缸进行燃料喷射量修正。
6.船用中高速油气双电控双燃料发动机的工作方法，基于权利要求1所述的船用中高速油气双电控双燃料发动机,其特征在于，包括如下步骤：
a.发动机依靠曲轴相位与凸轮轴相位传感器判定发动机曲轴位置及凸轮轴位置状态；
b.燃油模式时，采集发动机转速和增压压力数据，发动机起动成功后自动匹配燃油提前角MAP进行工作；
燃气模式时，采集发动机转速和增压压力数据，自动匹配燃油提前角MAP与燃气喷射脉宽量MAP进行工作。
7.根据权利要求6所述的船用中高速油气双电控双燃料发动机的工作方法，其特征在于，
发动机不同工作模式下的调速均通过油量调节来实现，当发动转速高于或低于设定转速时，通过减少或增加油量来实现调速目的。
8.根据权利要求6所述的船用中高速油气双电控双燃料发动机的工作方法，其特征在于，
油气双电控控制系统通电后，首先进行系统自检，若起动成功则按发动机怠速模式运行，若起动失败则重新进行系统自检并发出报警。
9.根据权利要求6所述的船用中高速油气双电控双燃料发动机的工作方法，其特征在于，
燃油模式转燃气模式仅支持手动转换模式，无报警故障时可以成功进入燃气模式。
10.根据权利要求6所述的船用中高速油气双电控双燃料发动机的工作方法，其特征在于，
燃气模式转为燃油模式具有手动和自动两种转换模式，手动模式一键切换，自动模式为系统检测到发生故障时自动退出燃气模式，切换为燃油模式。
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