CN115370498B - 一种船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法，该船用双燃料低速发动机包括发动机控制系统、废气再循环系统和气缸压力监测系统，其特征在于：通过气缸压力监测系统在台架试验中实时获取气缸压力曲线，对发动机的实际运行状态进行分析后确定气缸压力限制因子：最大压升率和燃烧重心及其允许偏差值；根据该允许偏差值确定气缸压力调节因子：EGR率和引燃油喷射角度的修正量；在运行过程中由发动机控制系统依据气缸压力限制因子和气缸压力调节因子，结合气缸压力监测系统测得的气缸实时压力数据，对气缸压力进行控制调节，使船用双燃料低速发动机稳定运行。本发明降低了环境条件变化或燃气品质变化对发动机燃气运行时气缸压力的影响，提高了船用双燃料低速发动机运行的稳定性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及船用低速双燃料发动机的运行控制，具体涉及一种基于废气再循环系统的船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法，属于船用发动机技术领域。
背景技术
以奥托循环作为发动机热力循环的船用双燃料发动机目前主要采用预混合进气压燃的燃烧方式，即，低压天然气(1.6MPa以下)在发动机压缩行程直接进入缸套与扫气空气进行预混合，当压缩行程到达上止点附近后，通过点火油点燃混合气体并燃烧做功。该燃烧方式虽然可以有效控制燃烧相位，但是如果使用较低品质的天然气作为燃料，或者环境条件发生较大变化时，仍然会影响发动机空燃比的控制精度。该类发动机目前主要采用增加部分燃油，减少燃料中燃气的比例来提高燃烧的稳定性，使用这种控制方式虽然可以提高燃烧的稳定性，但是也在一定程度上增加了发动机燃气运行时的排放和能量消耗。因此为了达到碳排放控制对甲烷逃逸的要求，则引入了废气再循环系统(以下简称EGR系统)结合气缸压力检测作为一种新的燃烧过程控制方式，以减少对发动机经济特性和排放特性的影响，来实现对气缸压力的控制，进而减少和消除环境变化对发动机的稳定运行的影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法，避免由于环境条件变化或燃气品质变化等因素引起的发动机燃气运行时气缸压力不稳定的情况，提高发动机运行的稳定性和经济性。
基于上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法，所述船用双燃料低速发动机包括发动机控制系统、废气再循环系统和气缸压力监测系统，其特征在于：通过所述气缸压力监测系统在台架试验中实时获取气缸压力曲线，对所述船用双燃料低速发动机的实际运行状态进行分析后确定气缸压力限制因子：最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度的设定值及其允许偏差值；根据该允许偏差值确定气缸压力调节因子：参与再循环的废气量占总废气量的比例和引燃油喷射角度的修正量；在发动机运行过程中由所述发动机控制系统依据所述气缸压力限制因子和气缸压力调节因子，结合所述气缸压力监测系统测得的气缸实时压力数据，对气缸压力进行控制调节，使所述船用双燃料低速发动机稳定运行。
进一步地，所述的气缸压力控制方法包括如下步骤：
步骤一，控制系统参数预设
当所述船用双燃料低速发动机在台架试验中进行燃气运行时，在不同的发动机负荷和转速点，通过测量和分析发动机的气缸压力和主要性能指标，实时设定和调整气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度，从而使该发动机处于最佳的运行状态，将此时的气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度作为设定值写入所述发动机控制系统中；
在该设定值的基础上，继续通过试验确定气缸压力限制值，使在该气缸压力限制值范围内运行的发动机处于正常状态，不会有爆燃或失火的可能；
通过台架试验确定当所述参与再循环的废气量占总废气量的比例和引燃油喷射角度发生变化时，分别对气缸压力的影响，根据结果在所述发动机控制系统中设定所述参与再循环的废气量占总废气量的比例和引燃油喷射角度的单次调节量和调节方向，并设置气缸压力调节结束条件；
步骤二，气缸压力调节使能条件设置
在所述发动机控制系统中设置气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度超出所述气缸压力限制值的参数条件，当所述发动机控制系统通过所述气缸压力监测系统检测到气缸压力突破该参数条件时，即为满足气缸压力调节使能条件；
步骤三，气缸压力调节功能启动条件设置
在所述发动机控制系统中设置激活气缸压力调节功能的条件：当所述发动机控制系统通过所述气缸压力监测系统检测到所述步骤二的气缸压力调节使能条件得到满足，所述发动机正常运行无报警，所述发动机控制系统能够正常接收到气缸压力和负荷的信号时，激活气缸压力调节闭环控制功能；
步骤四，气缸压力调节功能启动
当所述发动机控制系统通过所述气缸压力监测系统检测到所述步骤二的气缸压力调节使能条件得到满足，所述发动机正常运行无报警，所述发动机控制系统能够正常接收到气缸压力和负荷的信号时，启动气缸压力调节功能；
步骤五，气缸压力调节
当气缸压力调节功能启动后，所述发动机控制系统自动获取所述步骤一中发动机当前负荷和转速下气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度的设定值，通过与所述气缸压力监测系统检测到的气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度的实时值进行比较，根据两者的偏差值大小获取所述参与再循环的废气量占总废气量的比例和引燃油喷射角度的单次调节量和调节方向，并通过所述发动机的相应执行部件进行控制调节；所述发动机控制系统继续实时检测所述气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度，若仍然在所述气缸压力限制值的范围内，结束气缸压力调节，否则根据实时测量的气缸压力继续进行调节。
进一步地，所述的步骤一中，所述发动机的气缸压力和主要性能指标包括废气温度、燃气消耗率和氮氧化物排放量。
进一步地，所述的步骤一和步骤五中，所述气缸压力限制值包括气缸最大压升率的允许偏差值和最大爆发压力的曲柄角度的允许偏差值。
进一步地，所述的步骤一中，所述参与再循环的废气量占总废气量的比例的单次调节量为0.5％或1％；所述引燃油喷射角度的单次调节量为0.5°或1°。
与现有技术相比，本发明通过实时测量气缸压力，经发动机控制系统分析后确定气缸压力调节功能是否激活，根据气缸压力限制因子超出限制值的大小确定需要调整的气缸压力调节因子修正量，并通过相应的执行部件作用于发动机，根据调整后的反馈结果连续调节，直到气缸压力限制因子恢复到正常范围内。本发明降低了环境条件变化或燃气品质变化对发动机燃气运行时气缸压力的影响，提高了船用双燃料低速发动机运行的稳定性和经济性。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述和说明，所描述的实施例和附图本质上是说明性的，不应用来限制权利要求的保护范围。
本发明所述控制方法基于废气再循环系统，用于对船用双燃料低速发动机的气缸进行压力控制。
所述的船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法在发动机控制系统的配合下完成，船用双燃料低速发动机上包含相应的用于气缸压力监测的气缸压力传感器、废气再循环系统的控制阀组、喷油器电磁阀等监测和执行部件。
如图1所示，所述的气缸压力控制方法具体包括以下步骤：
步骤一，控制系统参数预设
当发动机台架试验发动机燃气运行时，在不同的发动机负荷和转速点，通过测量和分析发动机气缸压力和主要性能指标，如废气温度、燃气消耗率、氮氧化物排放量等，实时设定和调整气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度(以下简称为燃烧重心)，从而使发动机处于最佳的运行状态。将此时气缸的最大压升率和燃烧重心作为设计值写入发动机控制系统中。
在上述设计值的基础上，继续通过试验确定气缸最大压升率和燃烧重心的允许偏差值，即气缸压力限制值；在该气缸压力限制值范围内运行的发动机仍然处于正常状态，不会有爆燃或失火的可能。
通过台架试验分别确定，当参与再循环的废气量占总废气量的比例(以下简称为EGR率)和引燃油喷射角度变化时，气缸压力的变化趋势和影响程度，其具体的试验方法为本技术领域普通技术人员所熟知的内容，在此不再详细描述。根据试验设定气缸压力调节因子EGR率和引燃油喷射角度的调节方向和调节量，并根据气缸压力限制因子的偏离程度设定不同的气缸压力调节因子单次调节量，并设置调节结束条件。
本实施例中，设定的EGR率单次调节量为0.5％和1％，设定的引燃油喷射角度调节量为0.5°和1°，若限制因子超过限制值10％以上，则单次调节量分别为1％和1°。
步骤二，气缸压力调节使能条件设置
在发动机控制系统中设定用于判断气缸压力最大升高率和燃烧重心超出限制值的参数条件，当发动机控制系统依据气缸压力监测系统检测到相应参数突破限制条件时，即满足气缸压力调节使能条件。
步骤三，气缸压力调节功能启动条件设置
在发动机控制系统中设置激活气缸压力调节功能的条件：步骤二中设置的气缸压力调节使能条件满足；控制系统可以检测到气缸压力传感器、负荷等信号；气缸压力调节闭环控制功能激活。
步骤四，气缸压力调节功能启动
气缸压力测量后，控制系统检测到步骤二中设置的气缸压力调节使能条件满足；控制系统可以检测到气缸压力传感器、负荷等信号；气缸压力调节闭环控制功能激活。
步骤五，气缸压力调节因子修改
当气缸压力调节功能启动后，自动获取步骤一预设参数表中，发动机当前负荷和转速下气缸最大压升率和燃烧重心的基准值；比较实时获取的最大压升率和燃烧重心与预设基准值的偏差，根据偏差值的大小和正负值获取气缸压力调节因子的调节方向和单次调节量，根据单次调节后的实时压力监测判定调节因子是否需要进一步调整，如果不需要，结束气缸压力调节。
引燃油喷射角度修正：EGR率相同时，随着引燃油喷射正时的提前，最大压升率、缸内压力均会增加，同时燃烧重心也会前移，燃烧持续时间缩短。因此当控制系统根据气缸压力数据检测到燃烧重心提前并超过步骤一中设定的限制值时，根据预设控制逻辑，单次推迟引燃油喷射角度0.5°或1°，并通过喷油器电磁阀执行。根据调节后的气缸压力测量值，判断当前气缸压力是否需要继续进行调整。
EGR率修正：当引燃油喷射角度不变时，随着EGR率的增大，燃烧相位后移，燃烧持续时间延长，最大压升率和缸内最高爆发压力会降低，因此当控制系统检测到最大压升率过高并超过步骤一中设定的限制值上限时，为了避免发动机爆震现象的出现，根据预设控制逻辑，单次调整EGR率，增加1％或0.5％，并通过废气再循环系统中的流量控制阀执行。根据调节后的气缸压力测量值，判断当前气缸压力是否继续进行调整。
综上所述，本发明通过气缸压力监测系统在台架试验中实时获取气缸压力曲线，对发动机的实际运行状态进行分析后确定气缸压力限制因子：最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度(燃烧重心)的设定值及允许偏差值；根据该允许偏差值确定气缸压力调节因子：参与再循环的废气量占总废气量的比例(EGR率)和引燃油喷射角度的修正量；在发动机运行过程中由发动机控制系统通过相应的控制部件执行，具体步骤包括：控制系统参数预设、气缸压力控制使能条件设置、气缸压力调节启动条件设置和气缸压力调节因子修正等。
Claims (4)
1.一种船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法，所述船用双燃料低速发动机包括发动机控制系统、废气再循环系统和气缸压力监测系统，其特征在于：通过所述气缸压力监测系统在台架试验中实时获取气缸压力曲线，对所述船用双燃料低速发动机的实际运行状态进行分析后确定气缸压力限制因子：最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度的设定值及其允许偏差值；根据该允许偏差值确定气缸压力调节因子：参与再循环的废气量占总废气量的比例和引燃油喷射角度的修正量；在发动机运行过程中由所述发动机控制系统依据所述气缸压力限制因子和气缸压力调节因子，结合所述气缸压力监测系统测得的气缸实时压力数据，对气缸压力进行控制调节，使所述船用双燃料低速发动机稳定运行；所述的气缸压力控制方法包括如下步骤：
步骤一，控制系统参数预设
当所述船用双燃料低速发动机在台架试验中进行燃气运行时，在不同的发动机负荷和转速点，通过测量和分析发动机的气缸压力和主要性能指标，实时设定和调整气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度，从而使该发动机处于最佳的运行状态，将此时的气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度作为设定值写入所述发动机控制系统中；
在该设定值的基础上，继续通过试验确定气缸压力限制值，使在该气缸压力限制值范围内运行的发动机处于正常状态，不会有爆燃或失火的可能；
通过台架试验确定当所述参与再循环的废气量占总废气量的比例和引燃油喷射角度发生变化时，分别对气缸压力的影响，根据结果在所述发动机控制系统中设定所述参与再循环的废气量占总废气量的比例和引燃油喷射角度的单次调节量和调节方向，并设置气缸压力调节结束条件；
步骤二，气缸压力调节使能条件设置
在所述发动机控制系统中设置气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度超出所述气缸压力限制值的参数条件，当所述发动机控制系统通过所述气缸压力监测系统检测到气缸压力突破该参数条件时，即为满足气缸压力调节使能条件；
步骤三，气缸压力调节功能启动条件设置
在所述发动机控制系统中设置激活气缸压力调节功能的条件：当所述发动机控制系统通过所述气缸压力监测系统检测到所述步骤二的气缸压力调节使能条件得到满足，所述发动机正常运行无报警，所述发动机控制系统能够正常接收到气缸压力和负荷的信号时，激活气缸压力调节闭环控制功能；
步骤四，气缸压力调节功能启动
当所述发动机控制系统通过所述气缸压力监测系统检测到所述步骤二的气缸压力调节使能条件得到满足，所述发动机正常运行无报警，所述发动机控制系统能够正常接收到气缸压力和负荷的信号时，启动气缸压力调节功能；
步骤五，气缸压力调节
当气缸压力调节功能启动后，所述发动机控制系统自动获取所述步骤一中发动机当前负荷和转速下气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度的设定值，通过与所述气缸压力监测系统检测到的气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度的实时值进行比较，根据两者的偏差值大小获取所述参与再循环的废气量占总废气量的比例和引燃油喷射角度的单次调节量和调节方向，并通过所述发动机的相应执行部件进行控制调节；所述发动机控制系统继续实时检测所述气缸的最大压升率和最大爆发压力的曲柄角度，若仍然在所述气缸压力限制值的范围内，结束气缸压力调节，否则根据实时测量的气缸压力继续进行调节。
2.根据权利要求1所述的船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，所述发动机的气缸压力和主要性能指标包括废气温度、燃气消耗率和氮氧化物排放量。
3.根据权利要求1所述的船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法，其特征在于：所述的步骤一和步骤五中，所述气缸压力限制值包括气缸最大压升率的允许偏差值和最大爆发压力的曲柄角度的允许偏差值。
4.根据权利要求1所述的船用双燃料低速发动机的气缸压力控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，所述参与再循环的废气量占总废气量的比例的单次调节量为0.5％或1％；所述引燃油喷射角度的单次调节量为0.5°或1°。
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