双燃料控制系统在船用发动机上的应用研究

刘东，张晖，李治朋，郝利华，张东科

(中国石油集团济柴动力有限公司，山东 济南　250306)

引言

C8190型双燃料发动机是某公司研发的一款多点喷射船用发动机，采用清洁能源液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)，降低排放，符合绿色环保、节能减排的发展要求[1]。

在C8190型船用发动机上配装双燃料控制系统，进行纯柴油模式和双燃料模式下的推进特性试验，测试该控制系统的性能，并通过控制系统的调整，提高该发动机的性能[2-3]。

1　控制系统的组成与功能

1.1　双燃料发动机的设计原则

双燃料发动机控制系统的设计应该实现:

1)纯柴油和双燃料两种模式;

2)空载和怠速工况时，使用纯柴油模式;

图1　双燃料控制系统组成

3)标定工况下，替代率大于85%;

4)模块化设计，运行安全，可靠性高;

5)减排效果明显。

1.2　双燃料控制系统的组成与功能

双燃料发动机控制系统主要由双燃料控制器、燃气电喷阀、转速传感器、燃气执行器、燃气压力传感器、增压压力传感器、油门位置传感器等部件组成，如图1所示。

双燃料控制系统具有纯柴油模式和双燃料模式自动切换功能，同时具有故障自诊断、增压压力保护、排温保护、安全保护等功能，具备机旁控制功能，以及供驾驶室或集控室的远程控制系统使用的对外接口。

2　控制系统的工作原理

控制系统通过控制燃气的进给量，实现对柴油的替代。通过测量燃气进气压力和各缸排温，根据测量值控制发动机在双燃料和纯柴油两种模式间自动切换，从而保护发动机[4]。

图2　双燃料模式下柴油和燃气的进给曲线图

双燃料模式下柴油和燃气的进给曲线(下文简记作进给MAP图)如图2所示，双燃料控制系统中设置了一条“柴油油门目标设定曲线”来设定柴油油门位置。如果油门位置信号高于目标设定曲线，则燃气阀打开，通过逐渐增大燃气的进给量，相应减小柴油的进给量，从而使柴油进给量逐渐接近期望值。当发动机在双燃料模式下运行时，双燃料控制器采集到油门位置信号和发动机转速信号，通过查找燃气阀—油门控制曲线图(下文简记作控制MAP图,如图3所示)的相应值，调整燃气执行器开度，控制燃气的进给量，实现对柴油的替代[5]。

双燃料控制器通过测量燃气进气压力和各缸排温，自动切换发动机的运行状态，从而保护发动机。发动机在双燃料模式下运行时，如果燃气进气压力或排温超过设定值，将会自动切换到纯柴油模式。当燃气进气压力和排温都正常后，发动机就恢复到双燃料模式。

图3　MAP图

3　控制系统的调试

3.1　柴油油门目标曲线的标定

柴油油门目标设定曲线是发动机双燃料模式下最经济的运行曲线。当发动机以纯柴油模式起动后，燃气根据柴油油门的反馈位置和转速开始参与燃烧，同时参与燃烧的柴油量开始减少。柴油的供油量不断地接近柴油油门目标设定曲线，但不能超过该曲线。同样，燃气的进气量也受到MAP的限制[6-7]。

图4　柴油目标曲线

柴油目标曲线如图4所示，X轴为转速、Y轴为柴油期待目标值。当柴油期待目标值Y低于油量实际值时，双燃料模式才可以正常运行。如果柴油期待目标值Y等于油量实际值，油量实际值不会随燃气阀开度的增加而减小。此时证明油量限制曲线起效，限制了油量的最小值[8-9]。

基于运行安全性考虑以及保持发动机运行效果，在空载和80%以上负载的时候不建议加燃气，所以在设置柴油目标曲线时应保证空载和满载时的基本柴油供给[10]。在机器排温正常，转速不出现波动的前提下，尽量加大燃气阀开度，以求最理想的替代率[11-12]。

3.2　双燃料模式下燃气开度的调整

根据控制MAP图调整燃气阀的开度，其中X轴表示转速，Y轴表示油门位置，Z轴表示燃气阀开度。

调整控制MAP图前，应先用纯柴油模式开机并加到满负载，在加载过程中，记下每个功率段的油门位置，以便做油量限制曲线，并为填写MAP图的Y轴做参考。

在转速为X、油量值为Y时的燃气阀开度为Z。当燃气阀开度Z增加时，油量值Y减小。做替代率试验时，如果需要增大替代率，则调大Z的值；反之，如果需要减小替代率，则调小Z的值。

当油量值Y减小到柴油目标曲线限制点时，而排温及替代率还未达到要求值时，可放大柴油目标曲线限制点，以增大它的替代率。

双燃料控制系统控制发动机在起动和怠速时按纯柴油模式运行；当发动机的转速和负载达到控制器中MAP图设定的工况时，控制器自动控制燃气阀打开到此工况对应的设定值，发动机进入双燃料工作模式。

4　控制系统的配机试验

在船用发动机上进行该双燃料控制系统的配机试验。C8190型船用双燃料发动机标定转速为1 200 r/min，标定功率为600 kW。

4.1　试验方法

C8190型多点喷射双燃料发动机分别在纯柴油模式和双燃料模式下，按表1程序进行推进特性试验[13]。

对纯柴油模式和双燃料模式都按照推进特性试验程序进行试验，并记录试验数据。需要记录的数据有：功率、油耗率、气耗率、烟度、爆压、增压比、涡轮前排气压力、涡轮前排气温度等。

表1　推进特性试验程序

4.2　试验结果

推进特性试验数据见表2，根据试验数据绘制出推进特性曲线，纯柴油模式下的推进特性曲线见图5，双燃料模式下的推进特性曲线见图6。

表2　推进特性试验数据

图5　纯柴油模式下的推进特性曲线

图6　双燃料模式下的推进特性曲线

4.3　试验结果分析

试验结果表明，在双燃料控制系统的控制下，C8190型船用发动机按照推进特性运转时，各项性能指标均满足设计要求，发动机运行平稳，标定工况下替代率大于85%。标定工况下，纯柴油模式时烟度为0.60 FSN，双燃料模式时烟度为0.28 FSN，降低了53%。经排放测量数据分析，双燃料模式下NOx的排放量较纯柴油模式下降低了大约50%，节能减排效果显著[14-15]。

5　结论

通过在C8190型双燃料发动机上的配机试验，使双燃料控制系统在船用发动机上得到应用。用双燃料代替纯柴油，能够显著减少污染物的排放，满足节能减排的环保要求。双燃料控制系统，具有纯柴油模式和双燃料模式自动切换功能，满足CCS要求。标定工况下，能够使替代率大于85%，经济效益十分可观。通过双燃料控制系统在此机型上的应用试验，获得了一些经验，进而为推广该控制系统在其他机型上的应用奠定基础。

参考文献：

[1]李克，杨铁皂，徐斌，等. 天然气/柴油双燃料发动机研发现状及发展[J].河南科技大学学报(自然科技版)，2004，25(2)：28-32.

[2]华伟，张伟，赵九江等. 论液化天然气船用双燃料发动机发展空间[J].中国石油和化工标准与质量，2011(9)：52.

[3]梁昱，周立迎. 双燃料发动机技术研究综述[J].贵阳学院学报(自然科学版)，2008，3(3)：18-23.

[4]陈永义，张幽彤，刘兴华. 压缩天然气发动机电控系统的开发[J].内燃机，2003(1)：9-11.

[5]刘震涛，俞小莉，费少梅. 天然气/柴油双燃料发动机燃气供给系统特性研究[J]. 内燃机工程，2002，23(2)：15-19.

[6]刘立，吴光耀. 柴油/天然气双燃料发动机的研究[J]. 中国科技论文在线精品论文，2010，3(16)：1651-1654.

[7]冯国胜，贾素梅. 基于柴油机的电控天然气发动机设计[J]. 车用发动机，2007(3)：36-39.

[8]郑斌. 小型柴油机改装为双燃料发动机的燃气供给系统设计[J]. 小型内燃机与摩托车，2009，38(4)：58-60.

[9]冯国胜，张幽彤，李建纯等. 天然气电控发动机的匹配研究[J]. 内燃机工程，2005，26(4)：56-58.

[10]高青，李虎，田文凯等. 柴油引燃天然气双燃料燃烧稳定性研究[J]. 兵工学报，2001，22(3)：404-406.

[11]O.M.I. Nwafor. Effect of choice of pilot fuel on the performance of natural gas in diesel engines[J]. Renewable Energy，2000，21：495-504.

[12]M.Y.E. Selim. Sensitivity of dual fuel engine combustion and knocking limits to gaseous fuel composition[J]. EnergyConversion and Management，2004，45：411-425.

[13]万德玉，李树生. 柴油机试验测试与分析实用手册[M]. 北京：学苑出版社，2000.

[14]R.G. Papagiannakis，D.T. Hountalas. Experimental investigation concerning the effect of natural gas percentage on performance and emissions of a DI dual fuel diesel engine[J].Applied Thermal Engineering，2003，23：353-365.

[15]R.G. Papagiannakis，C.D. Rakopoulos，D.T. Hountalas，et al. Emission characteristics of high speed，dual fuel，compression ignition engine operating in a wide range of natural gas/diesel fuel proportions[J]. Fuel，2010，89：1397-1406.