船用LNG发动机废气重整再循环控制系统设计分析

2023-03-01曾涛张尊华龙焱祥魏文文李格升

船海工程 2023年1期

曾涛，张尊华，龙焱祥，魏文文，李格升

(武汉理工大学 a.高性能船舶技术教育部重点实验室；b.船海与能源动力工程学院，武汉 430063)

近年来，废气重整再循环(reformed exhaust gas recirculation，REGR)技术因其能够实现发动机在线掺氢、余热回收,以及降低排放[1-2]，是一种将掺氢燃烧与废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)技术相结合的新型技术，得到了一定的关注和研究。

由文献[3-7]可知:REGR技术对发动机燃烧排放性能的改善在理论上已经得到验证。但是由于重整器与发动机之间存在复杂的耦合作用关系，重整器需实时匹配发动机运行状态才能保证装有REGR系统的发动机处于最佳运行状态。REGR技术的实际应用需要一套稳定的控制系统，用于保证发动机与废气重整器之间的联合匹配运行。为此，设计并开发基于CAN总线通信的船用LNG发动机REGR控制系统，根据发动机运行工况实时调整重整器工作参数，实时调节发动机缸内燃烧过程，以保证发动机在不同负荷下都具有较低排放并稳定运行。

1 系统结构

1.1 发动机REGR系统

LNG发动机REGR系统组成见图1。系统中的重整器位于发动机尾气端，利用废气加热重整器，为催化重整反应创造有利条件。REGR阀和流量控制器分别控制进入重整器的废气和天然气流量，天然气和废气中的O2、H2O在重整器内发生重整制氢反应，生成富含氢气的重整气送入缸内燃烧，可有效改善缸内燃烧和降低污染物排放。

图1 LNG发动机REGR系统组成及原理示意

1.2 控制系统

REGR控制系统主要调控对象为REGR阀和流量控制器。根据REGR系统催化重整反应特性，结合CAN总线结构具有模块清晰化、可拓展性强以及抗干扰能力好等优点[8]，设计基于CAN总线的REGR控制系统，用以实现发动机运行在不同负荷下能够实时调整重整器入口处的CH4和O2等重整反应物的浓度。控制系统信号拓扑见图2。

图2 REGR系统信号拓扑

控制系统是以玉柴YC6MK200NL-C20船用LNG发动机为原型，完成控制系统台架的搭建，该发动机的主要参数见表1。

表1 发动机主要参数

2 控制系统硬件设计

REGR控制系统是一种集软件、硬件于一体的嵌入式控制系统，其硬件可分为REGR控制器、执行器、传感器3大部分。

2.1 REGR控制器设计

考虑到REGR系统的应用场景，REGR控制器应该具备足够的安全性和稳定性。主控芯片选用瑞萨RL78系列R5F10TPJ100FB。如图3所示，控制器利用MCU自带的ADC模块采集转矩信号、重整器温度信号、REGR阀和流量控制器的反馈信号；利用芯片内部计数器采集发动机转速信号；利用CAN控制器与外围设备实现通信；利用定时器功能输出频率信号驱动无源蜂鸣器，实现系统报警功能。

图3 控制器结构

2.2 执行器选型

REGR阀选用一款智能调节型电动阀，流量控制器选用一款气体质量流量计；考虑到REGR阀和流量计的控制信号都是模拟量，因此选用C4404模拟量模块，该模块可同时输出4路模拟量，支持CAN协议输入控制，可实现和REGR控制器便捷通信，系统各执行器参数见表2。

表2 执行器参数表

2.3 传感器及其他硬件选型

系统需要采集发动机的转矩、转速，以及重整器温度信号用于对工况的判断，考虑到玉柴YC6MK200NL-C20船用LNG发动机的有效转速范围600～1 500 r/min，转矩范围0～900 N·m，故选用的传感器及其他硬件参数见表3。

表3 传感器及其它硬件参数表

3 控制策略设计

本系统所使用的镍基催化剂(Ni/Al2O3)应用在天然气发动机上具有如下催化制氢特性。

1)在相同的空速、进料比(M/O)下，产氢率与温度成正相关，温度在300 ℃以上产氢效率较好。

在相同的空速和温度下，产氢率与重整器入口M/O值密切关联。M/O在1.5～2.5之间产氢效率最佳；M/O大于2.5之后，随着M/O的增加，产氢率增长不明显甚至出现抑制效应；M/O过低催化剂容易被氧化导致失效。

其中M/O定义如下。

M/O=Yin,CH4/Yin,O2

(1)

式中:Yin,CH4，Yin,O2分别为重整入口CH4和O2的质量浓度。

根据以上催化制氢特性，同时结合玉柴YC6MK200NL-C20船用LNG发动机的运行场景，将REGR模式的开启温度设定为300 ℃，进行系统软件的开发工作，同时以M/O=2.0为准则展开控制脉谱图的标定。

3.1 系统函数设计

系统算法流程见图4，状态机跳转阈值配置见表4，后期可根据不同的机型更换不同的阈值。

图4 算法流程

表4 状态机阈值配置表

3.2 控制脉谱图标定

控制系统工作在重整模式下，控制器对REGR阀和流量计的控制是采用开环查询脉谱的方式。因此，控制脉谱的标定值将直接关联重整器产氢效率和发动机工作性能。本系统在C4404模块上选用4～20 mA电流模式用于对REGR阀和燃料流量计控制，各负荷工况点的标定遵循以M/O为2及NOx排放符合IMO Tier III法规为原则，同时兼顾发动机运行稳定性，完成控制脉谱图的手动标定，标定流程见图5，最终获得REGR阀和燃料流量计的控制脉谱见图6、7。

图5 脉谱图标定流程

图6 流量计控制脉谱图

图7 REGR阀控制脉谱图

3.3 上位机设计

采用LabVIEW设计REGR控制系统上位机界面，通过REGR控制器采集系统的温度信号和执行器的反馈信号，将各信号通过CAN报文形式发送至总线上，上位机通过USB-CAN连接至总线，获取总线上的报文并按照指定格式完成解析即可得到REGR阀开度、流量计流量、重整器温度、转速、转矩等系统信息，同时利用报文发送函数实现了对系统执行器的手动控制。

4 发动机台架试验

为了验证本控制系统运行的稳定性及减排效果，在发动机台架上进行控制系统功能验证及发动机性能测试试验。其中发动机性能测试记录发动机在不同负荷工况下的性能数据,包括重整器出口的重整气体成分、发动机缸压，以及尾气排放等数据。试验所用仪器见表5。

表5 测试仪器一览表

4.1 系统功能测试步骤

1)在发动机启动后，将REGR控制器上电启动，随后将发动机负荷调节至75%稳定运行，使得重整器快速被加热至300℃，观察REGR控制器对系统输入信号采集情况及阀门和流量计的运行情况。

2)将发动机调至低负荷区(即指转速低于690 r/min,转矩低于360 N·m)，观察控制器各项输入输出信号、REGR阀门和流量计的工作情况。

3)将发动机从低负荷区域调节至30%负荷，观察控制器各项信号指标及发动机工作情况。

4)将发动机关机，观察REGR控制器的输入输出信号以及REGR阀、流量计的工作状态。

测试结果见表6。

表6 系统功能试验结果

4.2 发动机性能测试

选取部分负荷工况点进行测试，各负荷工况点参数见表7。

表7 试验工况点参数表

排放分析仪通过橡胶软管连接至尾气采样管进行排放物采集分析；通过采样袋采集重整回路的重整气并通入至气相色谱仪进行重整气组分测量。为保证数据的准确性，试验采用定工况点法，将负荷调节至指定工况点，待发动机-重整器系统稳定后，开始进行重整气与尾气的采样与分析。由于气相色谱分析时间为8 min，因此每隔8 min采一组重整气进行分析，并连续采样分析3次，取其平均值作为最终测试结果。同时进行发动机尾气排放测量与数据记录。

REGR模式各工况下的重整器温度见图8。

图8 REGR模式下重整器和混合气温度

由图8可知，重整器温度随着负荷增加而增加，这是因为随着发动机负荷增加，尾气温度上升对重整器的加热作用增强；与此同时由于缸内燃烧温度上升，需要引入更多的重整气进入缸内，通过稀释作用降低燃烧温度以控制NOx的生成速率。因此，REGR控制器将增加REGR阀开度，进入重整器的废气流量增加导致混合气体温度也上升，这也促进了重整器的产氢量增加。

为验证系统控制策略，根据元素守恒法计算各工况下重整气组分，得出对应工况下重整器入口处的M/O值。如图9所示，在不同工况下的M/O值分别为2.23、2.16、2.04、1.92、2.26，与目标值(M/O=2)的相对偏差在11%以内，且均在1.5～2.5区间内，达到了预期目标，因此可认为标定所得的脉谱图适用于本控制系统。

图9 各工况下实测M/O值与目标值

不同发动机负荷下重整器出口处重整气体的组分分布见图10。

图10 各工况重整气组分分布

由图10可知，随着发动机负荷的变化，REGR阀在控制器的调控下实现了在线调节，随着REGR阀开度的增大，重整器产氢量也得到提升。总体而言，重整器产氢比较稳定，氢气含量稳定在7%～10%之间。此外，重整气成分中除了氢气以外，还有5%～12%比例的CH4，这是由于有部分CH4的在重整器内未及时参与反应；此外，还存在少量的CO，它们都将作为燃料送入缸内参与燃烧。此外，重整气中还包括非可燃气体N2和CO2，两者之和约占重整气体含量的80%，处于主导地位。

不同工况下的缸压曲线、燃烧CA50见图11、12。

图11 各工况缸压变化

图12 各工况燃烧CA50图

由图11、12可知，REGR模式下相比于原机模式下，缸内最大压力有所降低，同时燃烧重心(CA50)也相应推迟，这是由于重整气的主要成分为N2和CO2，相比于同等条件下的原机试验结果，重整气将稀释可燃混合气进而导致缸内燃烧速度略有降低，从而表现为较原机试验结果缸压有所降低以及CA50推迟。

为得到REGR模式下工作稳定性评价指标，采用200个连续循环的平均指示压力变动系数表征燃烧循环变动情况，平均指示压力变动系数COVIMEP定义如下。

(2)

各工况下REGR/原机模式的平均指示压力变动系数见图13。

图13 各工况循环变动比较

比较可知，REGR模式下的循环变动率略高于原机，但所有运行工况下平均指示压力变动系数低于5%，发动机均能稳定运行。

各工况下的RGER/原机模式下的有效燃油消耗率见图14。

图14 各工况有效燃油消耗率

相比于原机，REGR模式下发动机的有效燃油消耗率(be)在不同工况下分别有增加。这是由于REGR模式下的甲烷重整制氢反应主要为放热反应，因此导致了系统能量部分损耗，表现为有效燃油消耗率略微增加。

各工况下的排放数据见图15、16。

图15 各工况NOx排放对比

图16 各工况CO排放对比

由于重整器气的稀释作用，导致缸内燃烧温度降低，热力学NOx形成速率大幅降低，表现为 REGR模式下的NOx排放显著降低，相比同等工况下的原机模式，NOx在不同工况下分别有降低，满足IMO Tier III 排放标准。此外，相比于原机模式，因为稀释原因，CO氧化速率变慢，但是由于重整气的氢气可提高缸内燃烧速度，这将促进CO的氧化，因此REGR模式下CO的排放增加并不明显，具体表现为在不同工况下排放增加1.7%，2.5%，5.3%，5.2%，5.1%。可见当前控制器可有效调节不同工况下的重整器入口参数，在稳定运行的同时，可以有效降低各工况下的发动机NOx的排放，达到Tier III排放标准。