（轮机工程专业论文）天然气柴油双燃料船用发动机电控系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着排放法规的日趋严格和世界能源的日益短缺，节能、高效与环保成为 内燃机技术发展的主导方向。而当前广泛使用的内燃机替代燃料压缩天然气 ( c n g ) 具有能量密度较高，排放低，便于贮存和运输等优点，被认为是最有 发展前途的发动机清洁燃料。在三峡库区使用c n g 燃料动力的船舶，有利于船 东降低燃料成本和维护当地的生态环境。 c n g 燃料在发动机上的应用，可以改善发动机的经济性和排放性能。在三 峡库区，空气中的污染物主要来自于船舶柴油机的尾气，柴油机在工作时会排 放大量有害物，形成对库区流域严重的污染。 电子控制的c n g 柴油双燃料供给系统作为一种较为理想的柴油机燃料供 给系统，它可以使得柴油机选择灵活的燃料模式，在天然气充裕的地方选择燃 用天然气替代部分柴油以改善排放性能，降低油耗节约成本。而在没有气源的 情况下也能恢复到原方式运行。但这种船舶在三峡库区还未出现。 本论文在参阅文献和借鉴国内外设计开发经验的基础上，结合三峡库区船 舶的实际情况，采用理论分析、仿真设计与试验研究相结合的研究模式。针对 2 1 3 5 型柴油机燃料供给系统的，改制了一套电控柴油天然气双燃料系统，并在 柴油机试验台上进行了天然气配比掺烧试验研究。最后，根据2 1 3 5 型柴油机和 螺旋桨运行工况特点，在中和考虑能耗，经济性，排放指标和系统稳定型之后， 拟定发动机沿螺旋浆推进特征曲线运行时较佳掺烧比。 关键词：发动机，双燃料，天然气，电控系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l ys t r i c tr e g u l a t i o n so fe m i s s i o nc o n t r o la n dl a c ko ft h e w o r l d se n e r g y ，e c o n o m y ，e f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a v el e dt ot h e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u e so f i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e n o w , c n gw i d e s p r e a d u s e d ，r e p l a c i n gf u e l ，i sc o n s i d e r e dap r o m i s i n gm e t h o d t or e du c eh a r m f u le m i s s i o n i nt h r e eg o r g e s r e g i o na r e a , t h es h i p su s ec n gt oi m p r o v el o c a le n v i r o n m e n ta n d s a v em o n e yf o rs h i po w n e l c n gu s e di nt h ee n g i n ec a nr e d u c ee m i s s i o na n di m p r o v ef u e le c o n o m y w h e n t h em a r i n ee n g i n ew o r k s ，i tr e l e a s e sh a r m f u le m i s s i o n , a n dh e i g h t e n st h ea i r p o l l u t i o no f t h r e eg o r g e s - r e g i o na r e a t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ld u a lf u e ls u p p l ys y s t e mc o n t r o l st h eu s eo fd i e s e lo i lo r d i e s e l c n gd u a lf u e li nt h ee n g i n e w h e nt h ee n g i n ew o r k sa td i e s e lm o d e ，i ti st h e s a m ea st h a tb e f o r ei t sr e f i t w h e nt h ee n g i n ew o r k sa td u a l f u e lm o d e ，t h en a t u r a lg a s ， m i x e di na i ra ti n t a k ep i p ea n dt h ep r e - m i x e dn a t u r a lg a s ，i si g n i t e db yp i l o td i e s e l o i l w h e nt h er e v o l u t i o ni su n s t e a d y ，t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mc h a n g e st h es u p p l y o fo i lt o s t e a d ys p e e d t h em o d e o fr e f i ti s e a s y a n dp r a c t i c a l i nt h r e e g o r g e s - r e g i o na r e a , w h e r et h e r ei se n o u g hn a t u r a lg a ss u p p l y t h ee n g i n ew o r k s 缸 d u a lf u e lm o d et or e d u c eh a r m f u le m i s s i o n i f t h e r ei sn o te n o u g hn a t u r a lg a ss u p p l y ， i tc a nw o r ka td i e s e lm o d ea sb e f o r e b u tn o wt h e r ea r en o td u a lf u e ls h i p si nt h r e e g o r g e s r e g i o na r e a t h i sp a p e rb a s e do nt h ec u l t u r a lh e r i t a g eo ft h ed e s i g na n de x p e r i e n c eo f d e v e l o p m e n tf r o md o m e s t i cl e v e lt oi n t e r n a t i o n a ll e v e la te l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ， c o m b i n e st h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h r e eg o r g e s r e g i o n , a n a l y s i so ft h em o d e l ， s i m u l a t i n gd e s i g na n de x p e r i m e n tr e s e a r c h , d e s i g n sa ne l e c t r o n i cc o n t r o ld u a lf u e l s u p p l ys y s t e mi n s t e a do ft h em e c h a n i c a lf u e ls u p p l ys y s t e mf o rd i e s e lm o t o r2 1 3 5 t h ea u t h o rt e s t st h em o t o rw o r k i n gi nd i f f e r e n tp r o p o r t i o n 、析t hn a t u r a lg a so nd i e s e l e n g i n et e s ts t a n d st of m do u tt h eb e s tp r o p o r t i o no f m i x e dn a t u r a lg a si nt h ea i rs oa s 武汉理工大学硕士学位论文 t or e d u c et h ef u e la n dd e c r e a s et h ee m i s s i o n a tl a s t , t h i sp a p e rd e s i g n sm c u p e r i p h e r a lc i r c u i t sf o rt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：e n g i n e ，d u a lf u e l ，n a t u r a lg a s ，e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：至始睦丝日期：2 璺塑：幺：芝罩 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本 学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 苏般新( 签触渤孢日期纠，形，7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 当今世界石油资源日益匮乏，环境污染日趋严峻，柴油机由于其良好的经济 性和动力性，被广泛地用作各种机械的动力。但是柴油机的碳烟和氮氧化合物 ( n o x ) 排放却比较严重，对城市环境及人类健康危害很大，若不采用有效的措施 加以解决，柴油机的应用将会受到日益严格的排放法规的限制。近年来，天然气 作为一种新型能源在国际和国内都受到广泛的关注，随着天然气资源的开发和 内燃机技术发展，燃用天然气的发动机通过良好的控制可以比同等的汽油机和 柴油机具有更低的排放，有利于解决日益严重的大气污染问题。当柴油机掺烧天 然气时，由于天然气在发动机内与空气混合时同为气态，混合更均匀，燃烧也更完 全。因此，掺烧天然气后发动机与柴油发动机相比可明显降低有害物质的排放，特 别是颗粒物排放。另外，它还可完全消除铅、苯和芳香烃等严重危害物。同时天 然气是一种廉价的燃料，而且分布广泛具有良好的资源配置，以天然气作为代 用燃料将减少国家对进口石油的依赖程度，因此天然气作为发动机动力能源是 传统燃料的理想替代品。天然气作为内燃机燃料始用于3 0 年代，但是受到天然气 存储技术的限制未能得到广泛应用。直到上世纪7 0 公仆年代，随着材料科学技 术和制造工艺的进步，使天然气在交通工具上的使用成为可能；另一方面，在严 格排放法规的要求和激烈的商业竞争作用下，以电子控制技术为核心的发动机 技术已日益成熟，促进了天然气发动机的技术进步，使天然气发动机的动力性、 经济性、排放性等各项性能不断提高，天然气作为优质燃料的潜力也充分发挥出 来；我国天然气资源非常丰富，也为天然气发动机的发展提供了可靠的资源保证。 柴油引燃的天然气发动机是将减压后的压缩天然气与空气在进气管混合后 引入发动机气缸，再喷入引燃柴油点燃混合气，仍按原发动机的着火方式进行工 作。此系统不改变发动机原有结构，它既可燃烧天然气柴油两种燃料，也可燃用 纯柴油，在没有足够气体燃料来源时，双燃料发动机易于恢复原机工作方式，改装 简单、成本低。目前这种方式是天然气发动机首选的方式，是天然气发动机应用 主流。【1 】一4 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 双燃料发动机和天然气现状 目前；双燃料发动机主要采取汽油或柴油机改装改进而来，按其着火方式 可分为两种； ( 1 ) 采用点燃式；此方式多用于汽油机或用于拆除喷油嘴后加装火花塞的 柴油机。此方式用于汽油机时较为简单，而用于柴油机时需对其进行改装，一 般的做法是将喷油嘴拆掉，在原位上加装火花塞。这种方法改装后发动机只能 烧天然气。而不拆喷油嘴直接加装火花塞虽能保持原机性能，但实施起来却较 为困难。b 1 ( 2 ) 采取柴油引燃方式：在掺烧c n g 的基础上同时喷入一定量的柴油来 引燃天然气。此方式既可以在双燃料模式下运行，也可以在纯柴油模式下工作。 且对原机改动不大。【6 1 1 1 1 车用现状 在我国车用天然气发动机多为由汽油机改装而成或专为天然气而设计的单 燃料发动机，而用柴油机改装时往往采用拆喷油嘴加火花塞，而现在的发展方 向是由机械混合器式向电控多点喷射高能点火稀薄燃烧技术发展，有些部门正 研制缸内直喷的天然气发动机。 1 1 2 船用现状 1 国外天然气柴油双燃料船舶发动机发展状况： 经过专家多年的努力，气体发动机船舶和双燃料船舶已经得到了较完善的 发展。从1 9 6 4 年投入使用的第一艘l n g 运输船舶到2 0 0 5 年由法国大西洋船厂 建造成功的4 9 7 0 0 t 级l n g 运输船这四十年多年的时间里，世界大船厂建造了许 多全冷式液化气船舶。全冷式液化气船舶为保持液货舱的低温，常以使部分液 货蒸发吸取热量来保持液货舱的低温。对于蒸发后的气体有三种处理方式 ( 1 ) 释放( 主要是针对老式l n g 船。但直接释放天然气不仅浪费了能源， 而且天然气中的主要成分甲烷是比二氧化碳温室效应高四倍的温室气体。直接 释放天然气会加重地球的温室效应。 ( 2 ) 再液化( 原来只在运输l e n 和l p g 适用，现也开始运用于l n g 船) 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 作为能源消耗( 现在l n g 船舶普遍采用的技术) 。7 卜n 5 1 在这些船舶当中，现在使用越来越多的还是以天然气，柴油这种搭配作为发 动机燃料方式。根据表 1 表明，双燃料发动机主要是使用在l n g 运输船，客滚 船和客船上面。 挪威早在1 9 6 4 年就已经着手研究天然气柴油双燃料船舶，加上世界上几家 大的船舶动力公司的不断改革创新，如芬兰瓦锡兰公司，德国的m a nb & w 柴 油机公司，法国的s e m t 皮尔斯蒂克公司，由于这些船舶设计公司及柴油机动 力公司的不懈努力，已经在这一领域取得了辉煌的成就。 表1 1国外研制的具有代表性的双燃料主机船舶 船名 船舶类型航线建造年份主机类型燃料 v a n c o t l v e rd h a lf u e l k l a t a w a客滚船 1 9 7 2c n g c a n a d a 2e n g i n e s d u a lf u e l a c c o l a d ei i 散货船 a d e l a i d ea u s t r a l i a 1 9 8 2c n g 2e n g i n e s a m s t e r d a m d u a l f u e lc n g 内河船舶 1 9 8 8 n e t h e r l a n d s2e n g m e s a m s t e r d a md h a lf u e l 内河船舶 1 9 9 2c n g n e t h e r l a n d s1e n g m e s s t p e t e r s b u r gr u s s i a 1 9 9 4 d u a lf u e l c n g 游船m o s c o w 2e n g i n 。e s s t p e t e r s b u r g ，r u s s i a d h a lf u e l 游船 1 9 9 4c n g m o s c o w 2e n g i n e s n o r f o l k d u a lf u e l r i v e r i 客船 1 9 9 9c n g v i r g i n i au s a 2e n g i n le s m o l d eg a se n g i n e g l u t r a客滚船 2 0 0 0l n g n o r w a y4 9 e n s e t s k j n g e n e r 供应船 2 0 0 3 d u a lf u e l l n g g y 4e n g i n e s f r a n c e l n g 船 2 0 0 5 d u a lf u e l l n g e 肥r g y 2e n g i n e s 从表1 中我们不难发现：2 0 0 0 年以前，动力船舶气体燃料的储存方式主要 是压缩天然气，而在近几年的发展中，气体燃料储存的方式向液化天然气方向 倾斜；而在主机类型方面，主要是以双机及多机并用为主；在船型和船舶类型 方面主要是以客滚船为主。从上表及目前几大船舶建造公司的订单来看，天然 气柴油双燃料发动机趋向于液化天然气船舶。而双燃料应用船舶类型也由原来 武汉理工大学硕士学位论文 的液化气运输船向普通船舶发展的趋势。 m vk l a t a w a 是跨度于f r a s e r 河南北岸三艘姐妹船( 另外两艘船名为： k u l l e e t ，k l i t s a ) 当中唯一一条使用天然气柴油双燃料推进的客滚船，也是迄今 记录最早的一艘由双燃料推进的客渡船。2 0 0 5 年法国大西洋船厂为法国天然气 公司建造的世界第一艘最大的双燃料l n g 船交付使用。该船总吨位为4 9 7 0 0 吨， 主机为天然气柴油的双燃料发动机。 2 0 0 7 年6 月末现代重工研发的l n g 船用双燃料电力发动机能够以l n g 存 储舱中自然气化的天然气为燃料，其动力系统装置可根据具体情况轮换以燃油 和天然气为燃料发电，为螺旋桨提供动力。该型机的生产成本比现有蒸汽发动 方式价格高出2 q ，但可以节省燃料1 0 以上。与采用蒸汽发动机的同型船 相比，l 艘采用这种发动机的1 5 5 万立方米l n g 船平均每天可节省燃油4 0 吨。 2 国内天然气柴油双燃料船舶发动机发展状况； 对于天然气柴油双燃料船舶，已有近四十年的发展史并且具有良好的发展 前景。其排放性和经济性较佳是其发展的重要原因。天然气柴油双燃料船舶的发 展很大程度上受到l n g 、c n g 市场价格和动力技术的影响。与挪威韩国等造船 技术先进的国家相比，我国的天然气柴油双燃料船舶发展较晚，但发展速度很快。 进入9 0 年代后，天然气柴油双燃料船舶是作为改变我国目前各地区严重污染 的方法而提出来，一开始就受到了政府部门的支持和发动机生产厂家的热心参与 。在现有的客观条件下，天然气柴油双燃料船舶适合于充气方便的水域运输，因 而我国的天然气柴油双燃料船舶应该主要在长江，湘江等天然气使用方便的地 区发展。各国政府考虑到国家能源结构的合理性和天然气柴油双燃料船舶的排 放性能较好，对天然气柴油双燃料船舶提供了各种优惠政策，这对天然气柴油双 燃料船舶的发展非常重要。同时，随排放要求的提高，天然气柴油双燃料船舶将 会得到更广泛的应用。 中国长航重庆长江轮船公司在2 0 0 1 年底大胆提出了开展船舶柴油压缩天 然气、柴油液化石油气双燃料应用技术研究，2 0 0 2 至2 0 0 3 年，在6 1 3 5 柴油机 上替代率之6 0 7 0 ，1 标方天然气作功能力之0 7 k g 柴油已经实现。为了加快 长江船用柴油机柴油天然气双燃料改装技术的试验，示范和推广，重庆长江轮 船公司，河南中原绿能市科有限责任公司和贵州红华科技开发有限公司三方于 2 0 0 3 年4 月签定合作意向书，确定了较为具体的合作内容，技术经济指标等。 重庆长江轮船公司工程研究设计院已经完成了船舶天然气柴油气双燃料系统 4 武汉理工大学硕士学位论文 装置研制。其研究成果实现了船用柴油机用天然气柴油技术上的突破，并为开 展船舶大功率柴油机进行柴油一压缩天然气双燃料改造的进一步研究奠定了技 术基础。沪东中华造船集团公司建造的国内第一艘l n g 船舶所采用的推进方式 就是天然气柴油双燃料主机。 目前国内也有很多高校和科研机构都对天然气柴油双燃料发动机做过大 量的实验研究，比如天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室对d 6 11 4 增压发动 机掺烧c n g 的实验研究，武汉理工大学能源与动力工程学院对6 1 1 0 柴油机掺 烧c n g 的实验研究。 3 天然气柴油双燃料船舶发动机的特点； 天然气一柴油双燃料船就是将柴油机动船改造为既可以燃用天然气也可以 燃用柴油的双燃料的机动船。它具有以下特点。 ( 1 ) 不改变原机结构和操作方式，不改变原发动机的压缩比、点火方式。 ( 2 ) 天然气柴油双燃料发动机既可以烧柴油，也可以烧油气的混合燃料。 ( 3 ) 天然气柴油双燃料机动船可以c n g 为气源，也可以以l n g 为气源。 ( 4 ) 增加了一套天然气供气( 含调压或蒸发) 系统。 ( 5 ) 设置天然气控制系统，实现天然气自动控制和油气转换。 ( 6 ) 采用开式布置储气瓶组，使泄漏的天然气可以自由逃逸。 使用气体燃料时。与常规气体燃料发动机火花塞点火方式不同，双燃料发 动机的混合气通过喷入燃烧室的少量柴油引燃。这种点火方式具有可靠性高和 点火能量大的特点，能提高单缸功率和适应稀燃。在柴油运行模式时，发动机 按通常的狄塞尔混合循环原理运行，即在上死点前高压柴油喷入气缸。柴油运 行时燃气不再进入。根据台架试验和理论研究结果，天然气柴油双燃料机动 船天然气替油率可达8 0 8 5 。试验结果已经证明，将现有机动船改造为天然 气燃油双燃料机动船是可行的、可靠的，也是安全的。6 卜也们 4 c n g 柴油双燃料船舶关键问题： 天然气双燃料机动船提供天然气的气源可以是c n g 和l n g 。日前国内c n g 技术己经成熟并得到了广泛认同和推广，对于中小型天然气柴油双燃料机动船 可采用c n g 作替代燃料。而随着国内l n g 技术的发展，l n g 供应量能满足需 要时，大中型天然气一柴油双燃料机动船可尽量采用l n g 作为替代燃料。要向 天然气柴油双燃料机动船提供压缩天然气，必须建立水上c n g 充气装置。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 天然气资源现状 1 天然气在内燃机上的适用性：天然气是一种优质高效较为洁净的能源，天 然气应用于发动机上能有效的降低发动机的排放污染物，天然气发动机颗粒物 排放几乎为零，n o x 、c o 和h c 的排放也显著降低减轻对环境的污染。燃烧天 然气比起石油和煤之类化石燃料要更加清洁，产生更少的温室气体。而获得同 样的热量。燃烧天然气产生的二氧化碳比燃烧石油要少3 0 ，比煤要少4 5 。 而且天然气辛烷值较高，抗暴性能好，能承受较大的压缩比，点燃式和压燃式 发动机上均能适用。 2 天然气来源的可靠性：天然气资源丰富：中国天然气资源量为5 4 万亿立 方米，估计可采储量1 0 万亿 - - 1 4 万亿立方米，煤层气为3 0 万亿立方米。陆上 6 2 个盆地和地区的天然气储量2 9 9 万亿立方米，7 8 6 集中在四川盆地、陕甘 宁地区、塔里木盆地和青海省。2 0 0 5 年初，四川盆地探明可采储量达8 7 8 3 2 亿 立方米的特大天然气田，经国土资源部矿产资源储量评审中心确认，位于四川 东北部的普光气田探明天然气储量达到1 1 4 3 6 3 亿立方米，可采储量8 7 8 3 2 亿 立方米，跻身中国特大天然气田之列四川省达州市于2 0 0 7 年5 月底宣布，四川 盆地天然气富集区达州市发现特大天然气田，天然气资源量达3 8 万亿立方米， 探明可采储量达6 0 0 0 亿立方米以上，其中宣汉普光气田已探明可开采储量3 5 6 0 亿立方米，是迄今为止国内规模最大的特大型海相整装气田。 3 天然气价格稳定；天然气价格较石油产品的价格优势：当油价在1 0 0 美元 桶的高位盘整时，天然气价格只有石油的几分之一的价格，即便现在石油价格 回落至k j 6 0 美元桶时天然气仍有价格优势。而在川江地区有丰富的天然气资源， 而天然气价格相对较为低廉，因此利用天然气代替一部分燃料油不仅能取得良 好的环境效应还能降低燃油成本。虽然目前我国的水上天然气加气站还没有得 到普及，但双燃料发动机具有恢复原柴油机工作的特点，其动力性、经济性、排 放性等具有潜在的优势，因而，双燃料发动机的研究也成为国内研究的重点与 热点。 4 天然气燃料清洁和安全：天然气是较为安全的燃气之一，它不含一氧化碳， 也比空气轻，一旦泄漏，立即会向上扩散，不易积聚形成爆炸性气体，安全性 较高。采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，而且不含其他有害物， 其含碳的比例较煤和石油少，因此能减少二氧化碳排放量6 0 和氮氧化合物排放 6 武汉理工大学硕士学位论文 量5 0 ，并有助于减少酸雨形成，造成温室效应较低，改善环境质量。 1 2 本文的选题背景 船舶柴油机尾气排放已成为三峡库区空气污染的重要来源之一。目前三峡 库区船舶采用的主要动力源仍然是柴油机，柴油机在工作时会排放大量有害物 ，其中颗粒等排放物直接落于水面污染水体，气体排放物容易形成酸雨，形成 对库区流域更为严重的二次污染。而使用较为清洁的天然气是改善发动机性能 ，提高经济性和减少有害排放的一种有效措施。川气入汉将使湖北省能源结构 发生重大变化，为湖北省三峡库区船舶使用天然气燃料创造了条件。为此，2 0 0 6 年湖北省交通厅批准立项了题为天然气燃料在湖北省三峡库区标准船型上的 应用研究的科研项目。其中该项目轮机部分为： ( 1 ) 设计出适用于湖北省三峡库区标准船型的c n g 柴油双燃料船用发动 机燃料供给系统； ( 2 ) 研制开发出具有独立知识产权的c n g 柴油双燃料船用发动机燃料电 控控制原型装置； ( 3 ) 通过c n g 柴油双燃料船用发动机的台架试验，确定了最佳的天然气 掺烧策略，优化了发动机性能，确保发动机良好的动力性、经济性和排放性； 当前库区环境问题日益突出，库区船舶对提高燃油经济性和降低有害排放 物的有迫切要求日趋，节约能源和控制有害排放己成为发动机技术的发展方向， 本课题旨在构建发动机电子控制燃料供给装置，并通过理论分析和试验研究 使得发动机在各种工况范围内都能获得性能优化，达到改善发动机性能提高经 济性和减少有害排放的目的。 1 3 研究目标和内容 1 3 1 研究目标 本文以2 1 3 5 型柴油机燃料供给系统为研究对象，构建一套天然气柴油双 燃料供给系统。该系统应能在2 1 3 5 柴油机实验台上实现该型发动机在柴油天然 气双燃料模式下运行。并且通过天然气柴油双燃料船用发动机的台架试验，确 定最佳的天然气掺烧策略，优化了发动机性能，确保发动机良好的动力性、经 7 武汉理工大学硕士学位论文 济性和排放性。此外通过对系统进行实验研究和理论分析，掌握改装后发动机 在双燃料模式下工作特点。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) ( 2 ) 验数据； ( 3 ) 电控系统； 组建一套满足上述要求的天然气柴油双燃料供给及驱动系统。 拟定控制策略和实验方案，并在柴油机实验台上，测试出相应的实 通过对实验数据特性的研究分析，找出最佳控制方式并设计相应的 1 4 本章小结 本章首先介绍了双燃料发动机和天然气现状及本文的选题背景，之后提出 了本文的研究目标和内容，对以后研究和工作的开展具有指导意义。 8 武汉理工火学硕士学位论文 第2 章天然气柴油双燃料船用发动机燃料系统 2 1 天然气柴油双燃料船用发动机燃料供给系统组成 发动机燃料供给系统如图21 所示，其所应具备的功能如下 ( 1 ) 实现天然气柴油双燃料运转模式的良好控制： ( 2 ) 实现天然气量的精确控制： ( 3 ) 实现柴油量的精确喷射； ( 4 ) 实现柴油、天然气比例喷射要求： ( s ) 实现在不同负荷工况下燃料比例的分配： ( 6 ) 能够在柴油和柴油+ 天然气模式间切换。 l 蘸 乙、一，搿” 、一7t 卜柴油柜2 一截止阀3 柴油过滤器4 一发动机5 一高压油泵6 一油量调节机构7 一油量调节机构驱 动机构8 一天然气瓶9 一截止阀l o 一天然气过滤器1 1 一无然气减压装置1 2 一天然气流量计1 3 一火 然气流量调节阀1 4 一蓄电池1 5 一混台器1 6 一天然气流量调节蚝驱动机构1 7 一e c u1 8 一油门机构 1 9 一转速传感器 图2 1 双燃料发动机燃料供给系统简图 武汉理j 二人学硕士学位论文 2 2c n g 柴油双燃料船用发动机燃料供给系统工作原理 天然气依靠储气压力从钢瓶8 出来，经滤清器1 0 滤去杂质流入天然气减 压装置1 1 ，减压后通过流量计1 2 ，再通过流量比例调节阀13 的精确控制，最后进 入与发动机4 进气总管相连的混合器1 5 ，与空气混合后形成可燃混台气供发动机 使用。 13 - 天然气流鼍调节阀由接收e c u 控制信导的驱动机构1 6 驱动，控制进入混 台器1 5 的天然气的量。同时高压油泵5 上的油量调节机构6 由接收e c u 控制 信号的驱动机构7 动作，直接控制油泵齿条，对柴油量精确控制，实现按发动 机工况变化，对油气燃料比例的柔性调节，达到天然气柴油职燃料船用发动机 的最佳性能。 23 驱动机构 在发动机燃料系统改装过程中，选择步进电机作为使e c u 发出的电信号 转换为动作过程的执行机构。步进电机又称脉冲电动机。是数字控制系统中的 一种执行元件，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移且其输 出转角，转速与输入脉冲个数频率有着严格的同步关系。步进电机由于其本身 的特点在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本，但是，一般数字 电路的信号能量远远不足以驱动步进电机必须有一个与之匹配的驱动电路柬驱 动步进电机。步进电机本体和步进f 巳机驱动电路两者密不可分地组成步进电机 系统嘲。 正因为步进电机系统能较为精确地控制转角和转向，因此本系统改装后， 驱动装置用步进电机来控制燃料流量的调节装置。 本项目中采用四通电机公司的步进电机及其驱动器 步进电机主要参数 绝缘电阻5 0 0 v d c1 0 0 m r 2m i n 轴向间隙_ 01 03 m m 径向跳动_ 。0 2 m mm a x 温升6 5 k m a x 绝缘强度7 5 0 va c1 m i n u t e 环境温度- 2 0 - 5 0 10 图2 - 2 步进电机图 武汉理工大学硕士学位论文 绝缘等级- b 级 2 4 油量调节机构 为了满足双燃料发动机的控制需要，对柴油的供给量实行电子控制，拆除 了原有的机械调速器，采用安装有偏心轮的步进电机作为执行器，直接对高压 油泵齿条位移进行控制，当控制器发出脉冲信号和方向信号后，步进电机按照 控制要求顺时针转或逆时针转，带动固定在轴端上的偏心轮转动，偏心轮推动 摆臂移动，摆臂又带动齿条拉杆移动，使柴油机加油或减油。结构原理见图2 3 所示。 1 油泵齿条：2 齿条；3 零位微动开关；4 回位弹簧；5 摆臂；6 偏心轮( 由步进电机带动) ； 图2 3 高压油泵齿条位移电控系统简图 2 5 油泵标定 油泵实验目的： 发动机的燃料供给系统作了改装，其燃料供给量与新加入的驱动机构行程 之间的关系是未知的，为了解之间的关系为电控系统提供依据；需在油泵实验 台上找出其喷油量与行程步数之间的关系。 改装后的油泵已完全按照步进电机步数的增减来控制油量，因此为得到要 得出油泵喷油量与步进电机步数之间关系，将油泵上油泵试验台来标定喷油量 与步进电机步数之间关系。在油泵试验台架上调整步进电机步数，在敏感区域 武汉理工大学硕士学位论文 以一步为单位，普通区域以三步为单位调整，调整后测试该位置对应的喷油量 最后拟定步数油关系曲线。 表4 2 油泵实验数据( 单位m 1 ) 唪蕴 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0t 0 08 0 0 步数泵1泵2泵1泵2泵1泵2泵1泵2泵1泵2泵1泵2 泵1泵2 5 0 00 5 1000 5 80 9 6 5 200 。3 4l1 6 5 ：3 0 20 3 61 7 23 1 6 5 4 00 2 80 0 0 6 40 8 8 5 500 8 8000 6 0 85 0 46 0 8 5 600000 2 81 0 800 。80 。81 。5 2 5 700000 41 _ 2o 4 81 2001 3 63 2 4了5 28 4 5 80 1 0 60 2 62 1 60 9 22 1 60 21 5 9o 62 0 51 2 3 81 22 70 b1 5 3 6 0l2 7 61 7 6 3 9 23 3 54 5 52 64 。90 8 42 3 55 5 66 。3 2 99 。5 2 6 22 83 43 7 64 24 7 65 5 25 66 7 64 8 86 4 56 8 7 89 3 69 8 6 53 7 24 24 45 25 5 666 5 27 26 8 57 6 57 9 68 6 8 1 01 0 4 7 0 5 4 65 9 66 477 67 6 b8 0 88 4 58 9 29 1 29 b1 1 41 1 5 ：80 1 0 41 0 9 9 0 1 3 51 4 2 1 0 01 4 4 1 4 61 5 21 61 5 81 6 11 6 41 7 21 6 2 1 71 7 2 1 7 81 9 61 9 8 1 1 01 92 0 1 1 2 01 8 91 9 42 0 22 0 82 0 92 1 22 12 1 82 1 72 2 42 2 5 2 2 92 0 52 2 6 1 2 2 2 22 3 1 2 4 2 2 32 3 3 1 2 51 9 7 2 0 22 1 32 22 2 12 2 了 2 22 2 82 3 82 42 1 52 2 1 2 6 2 3 62 4 1 2 72 02 12 1 62 2 42 22 32 2 42 3 12 1 32 2 52 0 12 2 6 1 2 82 3 62 3 9 1 3 02 0 22 0 62 1 52 2 2 2 2 2 2 32 2 12 32 3 92 4 42 3 72 3 62 1 82 3 5 1 3 2 2 3 42 4 1 1 3 42 3 12 4 1 3 52 0 12 0 42 1 42 2 12 2 22 2 92 22 32 2 52 3 12 12 2 9 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 油泵转运3 r ，- i l i 矗驰p 敷油置关东曲爿2 田 图2 - 4 油泵转速：3 0 0 r r a i n 时步数油量关系曲线图 图2 5 油泵转速：4 0 0 r r a i n 时步数油量关系曲线图 武汉理工大学硕士学位论文 油幕转运5 r i i n 时步散油盂关系曲线图 图2 - 6 油泵转速：5 0 0 r m i n 时步数油量关系曲线图 油泵转运8 0 0 r 删l 油量关系曲线圉 图2 7 油泵转速：6 0 0 r m i n 时步数油量关系曲线图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 油泵转速7 0 0r 洲步敛油置关系曲绒图 图2 8 油泵转速：7 0 0 r m i n 时步数油量关系曲线图 油茏转运8 0 0r 酬嚣嚏油置关系曲线田 图2 - 9 油泵转速：8 0 0 r r a i n 时步数油量关系曲线图 从试验参数可以看出当油泵在不同转速下，每一步的喷油量不相同，但其 增减趋势相同，也可以由图看出油泵的喷油起始位置为5 0 1 3 5 步，为以后调速控 制提供依据。 2 6 天然气流量调节阀 天然气流量调节靠天然气流量调节阀的开度控制，步进电机响应控制器给 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 予的脉冲信号，电机轴旋转带动同轴的偏心轮转动，使锥阀阀芯移动，改变通 流截面，从而调节天然气的流量。图2 3 为天然气流量调节阀示意图： 1 偏心轮2 回程弹簧3 阀杆4 进气口5 锥阀6 出气口 图2 1 0 天然气流量调节阀示意图 偏心轮外圆与锥阀阀芯杆接触，r 是偏心轮半径，d 是偏心距，步进电机带 动偏心轮旋转一定角度p ，锥阀阀芯则会随之进程增加。进程量d x 随角度变化 的关系是： r 。 z k x = r 2 - ( d s i n 0 ) 2 一r d c o s o + d ( 2 1 ) 当0 = 1 8 0 时，代入上式，很显然，z k x = 2 d 。 1 偏心轮2 阀杆3 阀座4 锥阀 图2 1 1 偏心轮示意图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 设定偏心轮偏心距为4 5 m m ，天然气流量调节阀的锥阀阀芯最大行程为 9 m m ，步进电机旋转1 8 0 0 对应于锥阀从截止位置到最大行程开度。由于步进电 机步距角为0 9 0 ，所以步进电机的最大步进数为2 0 0 步。步进电机每步步进，对 应流量阀阀芯的每个行程，改变步进数，即可调节流量。 2 7 进气混合器 进气混合器如下图所示，这种文杜里管混合器，当空气通过混合器时会在 喉口处形成负压区，也正是利用的负压将常压的天然气吸入发动机进气管。在 发动机转速发生变化时，喉口处负压区的真空度亦发生变化，从而天然气的供 给量也跟随发动机转速变化。通过喉口直径及喉口型线，保证在确定负荷下， 发动机各转速天然气量满足掺烧比例基本要求。2 2 1 2 3 1 2 8 本章小结 图2 1 2 混合器简图 本章首先介绍了双燃料发动机燃料供给系统组成，然后依次介绍了选择的 驱动机构，油泵改装，油泵标定，天然气调节阀和混合器。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章控制策略 3 1 双燃料发动机控制策略 当把发动机传统的燃料供给和调速系统改装成电控双燃料系统后，发动机 已不能再按原有的模式运行，必须为其制定新的控制策略。 3 1 1 纯柴油模式运行下控制策略 改装后的发动机仍可在纯柴油模式下运行，但此时的发动机已无机械调速功 能，需靠电控系统实现调速功能。电控系统控制转速主要靠读取目标转速，测 量当前转速，调速运算，向执行机构发出油量增减信号几个步骤实现转速稳定。 其中调速运算的算法是采用p i 调节器，其对发动机的转速稳定至关重要，这也 是本章所要着重要阐述的。 3 1 3 双燃料模式运行下控制策略 改装后的发动机在双燃料模式下运行时，电控系统根据目标转速，在预设的 m a p 图中找出相应的最佳掺烧比，在向驱动器发出指令将天然气阀开启致对应 位置。而当发动机转速波动时，是完全靠调节引燃油量来控制转速；而油量的 调节方式和发动机在纯柴油模式下的调节方式完全一样。 3 1p i d 控制 在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称p i d 控制，又称p i d 调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整 方便而成为工业控制的主要技术之。本文中发动机的调速运算即采用此控制 器。而p i d 控制也分为增量式和位置式；在发动机模型上模拟时采用的是位置 式，而在单片机上使用时，为便于使用采用的是增量式。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 位置式p i d 位置式的p i d 控制算法的算式，算出的是控制全量，即对应于执行机构， 每次所需达到的位置。 ( 1 ) 比例( p ) 控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出信号u 与输入偏差信 号e 成比例关系k 。即 “= 墨p ( 3 1 ) 当仅有比例控制时系统输出存在残差。 ( 2 ) 积分( i ) 控制 在积分控制中，控制器的输出u 与输入偏差信号e 的积分成正比关系。 “= s oi e d t( 3 2 ) 其中& 为积分速度 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在残差，则称这个控制系统是 有残差的，或简称有差系统。为了消除残差，在控制器中必须引入“积分项”。积 分项对偏差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便 残差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使残 差进一步减小，直到等于零。因此，综合两种调节的优点，利用p 调节的快速 性和比例调节无残差的特点综合利用比例+ 积分即( p i ) 调节，可以使系统在进入 稳态后无残差。 甜= 疋p + s o 【e d t ( 3 3 ) ( 3 ) 微分( d ) 控制 在微分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比关系。 “= 上r 目d t a t “= 一i 目 如(3-4) 自动控制系统在克服偏差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因 是由于存在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后( 组件，具有抑制偏差的作用，其 变化总是落后于偏差的变化。解决的办法是使抑制偏差的作用的变化“超前”，即 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 在偏差接近零时，抑制偏差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比 例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大偏差的幅值，而目前需要增加的是 “微分项”，它能预测偏差变化的趋势，这样，具有比例+