《主推进动力装置（二三管轮）》-10第十章 船舶柴油机的电子控制技术

第一节

电子控制柴油机的原理和特点一、电子控制柴油机的原理二、电子控制式柴油机的特点电子控制式柴油机取消了传统柴油机的凸轮轴以及相关的机械控制零部件，将燃油喷射、气阀启闭以及柴油机的起动、换向、停车和气缸润滑等功能全部由电子控制的柴油机。它可以通过对相关参数的设定和修改，调整主机的运行状态和工作参数，达到使柴油机保持在最佳状况下工作的目的。此外，还可对柴油机的运行情况及零部件的状况进行实时监测，并与船上的控制系统、报警系统连接，对柴油机的进行全方位的控制。第一节电子控制柴油机的原理和特点一、电子控制柴油机的原理第一节电子控制柴油机的原理和特点发动机管理系统即电控单元（ECU）：

电子控制柴油机的核心。工作原理：传感器为电控单元提供发动机的当前工况信息，电控单元对传感器的信号进行分析以后，根据预定的控制策略对执行器发出控制信号，控制喷油量、喷油始点、增压压力、进排气阀正时等，对发动机进行闭环控制，使燃烧更精确。一、电子控制柴油机的原理第一节电子控制柴油机的原理和特点电喷柴油机共轨系统的组成

共轨技术是指在高压油泵、带调压阀的共轨管（CR）、带电磁阀的喷油器和柴油机控制单元（ECU）组成的闭环系统中，将燃油喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种新型供油方式。一、电子控制柴油机的原理第一节电子控制柴油机的原理和特点由高压共轨油泵把高压燃油输送到燃油系统的公共供油管中（共轨油管），通过油压控制单元对共轨油管内燃油压力进行精确控制，使共轨管内燃油压力大小与发动机转速无关，这样可以大幅减小柴油机供油压力随发动机转速变化的缺陷。ECU用于控制喷油器的喷油量，喷油量的大小主要取决于喷油电磁阀开启时间的长短，而电磁阀开启的时间是由ECU单元的通断电时间决定。

传感器为电控单元提供发动机的当前工况信息，电控单元对传感器的信号进行分析以后，根据预定的控制策略对执行器发出控制信号，控制喷油量、喷油始点、增压压力、进排气阀正时等，对发动机进行闭环控制，使燃烧更精确。二、电子控制式柴油机的特点第一节电子控制柴油机的原理和特点

与传统柴油机比较，电控柴油机特点：具有很强的运转适应性；足够的可靠性；具有各种不同的操作模式；完善的状态监测和控制系统。具有很强的运转适应性自由地选择喷射压力。最佳喷射压力，降低了部分负荷时的油耗;精确地控制燃油喷油量。循环喷油量变动小，各缸供油均匀;可独立地控制喷油正时和喷油速率变化，达到理想的喷油规律;燃料适应性好。任何负荷条件下工作无可见排烟。二、电子控制式柴油机的特点第一节电子控制柴油机的原理和特点

与传统柴油机比较，电控柴油机特点：具有很强的运转适应性；足够的可靠性；具有各种不同的操作模式；完善的状态监测和控制系统。2.足够的可靠性

发动机具有更长的寿命和维修周期，在整个发动机使用过程中具有很低的故障率和良好的维修性能，并且在整个使用期间发动机的性能维持不变。如瓦锡兰公司和MAN公司柴油机的检修周期都可长达五年。二、电子控制式柴油机的特点第一节电子控制柴油机的原理和特点

与传统柴油机比较，电控柴油机特点：具有很强的运转适应性；足够的可靠性；具有各种不同的操作模式；完善的状态监测和控制系统。3.各种不同的操作模式根据不同的要求由操作者选择机器的运转模式，如经济性模式、排放控制模式、安全模式和低负荷运转模式等，并保证发动机一直处于最优化状态运转。二、电子控制式柴油机的特点第一节电子控制柴油机的原理和特点

与传统柴油机比较，电控柴油机特点：具有很强的运转适应性；足够的可靠性；具有各种不同的操作模式；完善的状态监测和控制系统。4.完善的状态监测和控制系统包括一体化的速度控制设备，在线的柴油机故障诊断系统，活塞工作和燃烧可靠性的监测及对气缸注油的优化等。能够在线监测柴油机的运转状况，确保各缸的负荷均匀分布，防止发动机超负荷，在故障发生前能够早期报警并启动处理程序。一、WinGD公司的RT-flex柴油机

WinGD公司的前身瓦锡兰公司（Wärtsilär）率先将共轨技术应用于大功率船用低速柴油机。瓦锡兰公司的前身Sulzer公司在上个世纪80年代初开始从事于电子控制式柴油机的研制。

开发全电子控制式，采用共轨喷射技术的SulzerRT－Flex型船用低速柴油机，并在实船开始使用。RT-flex电控柴油机的基本组成1）WECS（WärtsilärEngineControlSystem）控制系统WECS控制系统的传感器判断曲轴位置从而判断柴油机气缸中活塞位置后，由20MPa的伺服油控制100MPa的燃油喷射进入柴油机的气缸，根据柴油机设定油门由WECS控制系统进行喷油时间的控制。第二节典型的电子控制柴油机第二节

典型的电子控制柴油机一、WinGD公司的RT-flex柴油机二、MAN公司的ME系列电控柴油机

第二节典型的电子控制柴油机SulzerRT-flex共轨系统一、WinGD公司的RT-flex柴油机1.RT-flex电控柴油机的基本组成

2）供油单元供油单元中是由柴油机的曲轴输出端的齿轮带动，通过高效的燃油泵向共轨管提供100MPa（通常使用60~90MPa）的燃油。通过轴向柱塞泵提供20ＭPa的伺服液压油用于排气阀的启闭和燃油喷射的控制。控制系统分别控制容积式燃油喷射控制单元(Injectioncontrolunit)ICU、排气阀驱动执行器(exhaustvalvecontrolunit)VCU和起动空气控制装置，通过安装在主机自由端的曲轴角度编码器来判断曲轴位置及各缸活塞在气缸中的位置后，完成燃油喷射、排气阀启闭和柴油机的起动功能。第二节典型的电子控制柴油机一、WinGD公司的RT-flex柴油机RT-flex电控柴油机的基本组成

RT-flex柴油机的电子控制设备主要包括WECS柴油机控制系统，燃油喷射控制阀，排气阀驱动执行器和起动空气控制装置。

WECS柴油机控制系统组成：

1）凸轮轴替代部分：用来代替凸轮轴实现燃油喷射、排气阀和起动空气分配器的控制；2）控制部分：根据柴油机的负荷和转速控制燃油和伺服油的压力，3）安全系统：对共轨阀的功能、传感器及各参数值进行监测和诊断，保证系统的安全工作。第二节典型的电子控制柴油机一、WinGD公司的RT-flex柴油机2.RT-flex电控柴油机的燃油系统组成：

包括供油单元，高压共轨（CommonRail）油管，WECS控制系统，喷油器和喷油电液控制阀组成。第二节典型的电子控制柴油机RT-flex的燃油喷射一、WinGD公司的RT-flex柴油机2.RT-flex电控柴油机的燃油系统组成：

包括供油单元，高压共轨（CommonRail）油管，WECS控制系统，喷油器和喷油电液控制阀组成。

工作过程：柴油机在工作时，由低压燃油泵将燃油输入到共轨油泵，共轨油泵将燃油加压送入高压共轨油管，高压共轨油管中的压力由电控单元根据共轨压力传感器测量的共轨压力以及需要进行调节，高压共轨油管内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元确定合适的喷油定时、喷油持续期；由电液控制的电子喷油系统将燃油喷入气缸。第二节典型的电子控制柴油机一、WinGD公司的RT-flex柴油机2.RT-flex电控柴油机的燃油系统组成：

包括供油单元，高压共轨（CommonRail）油管，WECS控制系统，喷油器和喷油电液控制阀组成。1）供油单元

供油单元包括燃油泵和伺服油泵，由柴油机的曲轴输出端的齿轮带动，燃油泵中有2-8个高效的机带柱塞泵（又称共轨泵），它是由柴油机的曲轴输出端的齿轮连接三作用凸轮的直列式泵，可将燃油的压力提高到约100MPa左右，送至高压共轨（CR）油管；伺服油泵用来提供20MPa的伺服液压油。第二节典型的电子控制柴油机一、WinGD公司的RT-flex柴油机2.RT-flex电控柴油机的燃油系统组成：

包括供油单元，高压共轨（CommonRail）油管，WECS控制系统，喷油器和喷油电液控制阀组成。2）喷油电液控制阀

每个喷油器由各自的电液阀控制，可以根据WECS柴油机控制系统的指令控制燃油喷射的定时和喷油量，也可以实现在低负荷时的单只喷油器循环喷油。第二节典型的电子控制柴油机喷油控制阀一、WinGD公司的RT-flex柴油机2.RT-flex电控柴油机的燃油系统组成：

包括供油单元，高压共轨（CommonRail）油管，WECS控制系统，喷油器和喷油电液控制阀组成。3）高压共轨油管安装压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。

压力传感器：向WECS提供高压共轨油管的压力信号；

液流缓冲器（限流器）：保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压共轨油管中的压力波动；

压力限制器：保证高压共轨油管在出现压力异常时，迅速将高压共轨油管中的压力进行泄放以保证安全。第二节典型的电子控制柴油机一、WinGD公司的RT-flex柴油机2.RT-flex电控柴油机的燃油系统组成：

包括供油单元，高压共轨（CommonRail）油管，WECS控制系统，喷油器和喷油电液控制阀组成。3）高压共轨油管安装压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。

压力传感器：向WECS提供高压共轨油管的压力信号；

液流缓冲器（限流器）：保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压共轨油管中的压力波动；

压力限制器：保证高压共轨油管在出现压力异常时，迅速将高压共轨油管中的压力进行泄放以保证安全。第二节典型的电子控制柴油机一、WinGD公司的RT-flex柴油机2.RT-flex电控柴油机的燃油系统

RT-flex柴油机的燃油共轨管路压力控制系统1）主控模板MCM通过CAN总线从气缸控制模块接受柴油机转速和共轨压力信号；2）输出信号到燃油泵执行机构的驱动器和调节器；第二节典型的电子控制柴油机共轨管路燃油压力控制系统每个调节器通过调节杆调节两个或三个燃油泵。燃油共轨管的压力由两个传感器测量并将信号反馈到MCM。如果一个燃油泵调节器损坏，它会通过弹簧使得正常连接在适当位置或移动到最高位置，变成定量泵，其余没有发生故障的燃油泵仍保持变量泵而受控。燃油共轨管如果超压，由燃油压力控制阀释放，使其保持稳压一、WinGD公司的RT-flex柴油机2.RT-flex电控柴油机的燃油系统

RT-flex电控型柴油机的燃油喷射量控制原理

每个喷油器对应一个喷射控制共轨阀，一般情况下所有的喷油器同时动作，特殊运行模式可以用一个或两个喷油器喷油，或者使用间断喷射（多喷模式）。在低负荷时自动停止一个或两个喷油器工作。第二节典型的电子控制柴油机定量喷射控制系统一、WinGD公司的RT-flex柴油机2.RT-flex电控柴油机的燃油系统

RT-flex电控型柴油机的燃油喷射量控制原理

第二节典型的电子控制柴油机

喷入气缸的燃油量的控制是由燃油量油缸和活塞位置确定的。通过喷油量活塞行程来检测实际喷油量

主控模块MCM通过比较实际喷油量和调速器的喷油指令信号计算燃油喷油量。气缸控制模块CCM根据曲柄编码器送来的曲柄角度信号和VIT，可计算出喷射初始角。到达喷射初始角时刻，CCM给VDM发喷油指令，使共轨电磁阀通电开始喷射。实际喷射开始时刻用喷油量活塞移动来检测，从发出喷射触发信号到实际开始喷射的时间差叫“喷射延时”。并根据上一循环的喷射动作滞后时间可计算出下一个喷射延时。一、WinGD公司的RT-flex柴油机3.RT-flex电控柴油机排气阀的控制

第二节典型的电子控制柴油机伺服液压油由柴油机曲轴输出端的齿轮连接伺服油泵供应20MPa的液压油，然后由WECS控制根据曲轴位置传感器判断柴油机各缸的工作状态而控制液压蓄压器，启闭气缸的液压排气阀。排气阀控制系统一、WinGD公司的RT-flex柴油机RT-flex电控柴油机排气阀的控制

RT-flex电控型柴油机的排气阀控制原理

第二节典型的电子控制柴油机排气阀控制系统

气缸控制模块CCM根据曲柄角度编码器的信号控制排气阀开启和关闭，VDM用于放大控制量以达到轨道阀所要求的信号。每一转排气阀打开和关闭一次。其动作由两个位置传感器测量。一、WinGD公司的RT-flex柴油机3.RT-flex电控柴油机排气阀的控制

RT-flex电控型柴油机的排气阀控制原理

第二节典型的电子控制柴油机排气阀的开启命令是根据曲轴转角和排气阀可变开启（VEO）时间确定。排气阀的关闭命令是根据曲轴转角和排气阀可变关闭（VEC）时间确定。当接到开启命令时，排气共轨阀在上电磁阀作用下动作（上位通），伺服油进入排气控制阀（上位通），这时伺服油进入执行油缸，活塞上行，通过0.4MPa的液压油（液压顶杆）推动排气阀开启；当接到关闭命令时，排气共轨阀在下电磁阀作用下动作（下位通），伺服油经排气控制阀泄放（下位通），这时伺服油执行油缸泄放，活塞下行，排气阀关闭；同时，排气阀移动的位置由两个位置传感器进行监测，反馈给气缸控制模块CCM，监视排气阀是否开启。排气阀的有效开启和关闭：开启过程中排气阀行程0～15%位移的时间为无效开启，关闭过程中排气阀行程100～15%位移的时间为无效关闭。一、WinGD公司的RT-flex柴油机4.RT-flex电控柴油机液压伺服油压力控制第二节典型的电子控制柴油机液压伺服油压力的设定值随柴油机负荷变化，由主控模块MCM发送到CCM（气缸控制模块），每个CCM都有一个输出，每个伺服油泵都有一个内部压力控制器，该控制信号是一个脉冲调制信号。在液压伺服油轨上安装有两个压力传感器，把共轨伺服控制油压力信号传送到主控模块MCM，通过闭环回路控制和补偿在泵和伺服油共轨管之间的管路压力损失。伺服控制油共轨管路系统安装安全阀、稳压阀，保持控制油压力不变。伺服油压力控制系统一、WinGD公司的RT-flex柴油机5.RT-flex电控柴油机WECS控制系统第二节典型的电子控制柴油机Wartsila公司的RT-flex型电控柴油机控制系统的核心是WECS控制系统，主要由主控制单元（COM-EU）和各气缸电子控制单元（CYL-EU）等组成。主控制单元：接受外界信号，如主机遥控系统、调速器、安保系统、人机界面、控制油系统、燃油系统，液压伺服系统等信号，然后进行程序处理，把处理的结果送到各气缸控制器（CCU），由其再去控制燃油系统的执行器、液压伺服系统的执行器等进行相应调节，使柴油机完成相应的功能，达到最佳运行状态。气缸电子控制单元（CYL-EU）：

通过FCM-20模块用来处理与该气缸有关的功能和共轨功能。一、WinGD公司的RT-flex柴油机5.RT-flex电控柴油机WECS控制系统第二节典型的电子控制柴油机WECS-9500控制系统各功能单元的作用：1）公共电子单元（COM-EU）：一个模式识别模块ASM和两个主控制模块MCM，ASM模块根据集控室中选择器的信号确定哪个MCM模块处于工作状态，MCM的主要作用是对共轨中的油压控制、主启动阀的控制以及其他系统通信，并对主机内部信号进行检测和传输。2）气缸电子控制单元（CYL-EU）：每个气缸都装配一个气缸电子控制单元，气缸控制模块（CCM）和阀件控制信号放大驱动模块（VDM）组成。3）曲柄角度传感器：用于检测各电磁阀，液压伺服油缸的工作状态。4）各缸执行器的传感器：用于检测各电磁阀，液压伺服油缸的工作状态。5）WECS的辅助控制单元（WECSAssistant）一、WinGD公司的RT-flex柴油机5.RT-flex电控柴油机WECS控制系统第二节典型的电子控制柴油机WECS-9500控制系统中的气缸电子控制单元一、WinGD公司的RT-flex柴油机5.RT-flex电控柴油机WECS控制系统第二节典型的电子控制柴油机WECS-9500控制系统中的气缸电子控制单元一、WinGD公司的RT-flex柴油机5.RT-flex电控柴油机WECS控制系统第二节典型的电子控制柴油机WECS-9500控制系统的通信功能：1）与主机遥控系统的通信：一个模式识别模块ASM和两个主控制模块MCM，操作人员所操车钟要求形成指令送给WECS-9500公共电子单元，主控模块上的主机负荷和检测到的排气压力、排烟温度等信号也会传送到主机遥控系统。2）与船舶报警系统通信：WECS-9500控制系统检测到主机故障信号时，会发给船舶报警系统进行报警、打印、记录或发出减速、停车信号给安保系统。3）与转速控制器的通信：4）与选择器的通信：5）与安全保护系统的通信:一、WinGD公司的RT-flex柴油机6.RT-flex柴油机的工作特点第二节典型的电子控制柴油机1）共轨式喷射系统的燃油喷射压力基本上是恒定不变，传统的喷油系统，其燃油喷射压力是随负荷而变化。共轨系统与传统喷射系统喷油压力对比一、WinGD公司的RT-flex柴油机6.RT-flex柴油机的工作特点第二节典型的电子控制柴油机2）共轨式喷射系统却可以任意控制喷油规律。RT-flex柴油机不同的喷射模式一、WinGD公司的RT-flex柴油机6.RT-flex柴油机的工作特点第二节典型的电子控制柴油机3）更低的燃油消耗率，更均匀的燃烧压力和燃烧温度RT-flex与传统柴油机燃油消耗率一、WinGD公司的RT-flex柴油机6.RT-flex柴油机的工作特点第二节典型的电子控制柴油机4）更低的最低稳定转速和更低的排气烟度及NOX排放量RT-flex与传统柴油机排气烟度对比二、MAN公司的ME系列电控柴油机2003年，MAN

B&W公司以其最成功的MC系列柴油机为原型机，开发出全电子控制式的ＭＥ系列柴油机。MANB&W公司的ME系列电控柴油机采用低压系统。第二节典型的电子控制柴油机ＭＥ系列柴油机燃油及气阀控制液压系统二、MAN公司的ME系列电控柴油机燃油泵将0.7～0.8MPa的燃油送到各个气缸的燃油增压泵，再由液压伺服油驱动使压力达到喷射压力。液压伺服油为主机的曲轴箱油，经二次过滤后由机带液压泵或电动液压泵加压到20MPa，送至各缸的排气阀驱动器和燃油增压泵，在电磁阀控制下，进行排气操作和喷油操作。目前，MAN公司的各种不同缸径的柴油机都有电控的ME机型，包括燃油喷射和排气阀全电控的普通ME-C系列柴油机，仅燃油喷射采用电控而排气阀采用凸轮控制的小缸径ME-B系列柴油机，可采用LNG为燃料ME-GI气体喷射双燃料柴油机以及最新开发的绿色超长行程G-ME柴油机。第二节典型的电子控制柴油机二、MAN公司的ME系列电控柴油机

1.ME型柴油机的液压系统

与传统的ＭＣ系列柴油机相比，取消了凸轮轴、链传动机构、VIT、VEC等机械机构，由电子控制设备替代。包括：（1）液压动力供给单元（HydraulicPowerSupply（HPS）；（2）液压气缸单元（HydraulicCylinderUnits（HCU））；（3）柴油机控制系统（EngineControlSystem（ESC））；（4）曲轴位置感受系统（CrankshaftPositionSensingSystemorTachoSystem）第二节典型的电子控制柴油机二、MAN公司的ME系列电控柴油机

1.ME型柴油机的液压系统（1）液压动力供给单元（HPS）

主要是用来提供足够的动力用于燃油喷射和排气阀的启闭，由自清式细滤器，电动液压泵和机带液压泵组成。第二节典型的电子控制柴油机液压动力供给单元二、MAN公司的ME系列电控柴油机

1.ME型柴油机的液压系统（2）液压气缸单元（HCU）

每缸一个，用于控制各缸的燃油喷射和排气阀的启闭。包括：电子燃油喷射控制阀（ELFI），电子排气控制阀（ELVA）。第二节典型的电子控制柴油机ME系列柴油机的燃油泵和控制阀二、MAN公司的ME系列电控柴油机

1.ME型柴油机的液压系统（3）ME系列柴油机的燃油喷射系统电子燃油喷射控制阀（ELFI）控制各缸的喷油正时和喷油量第二节典型的电子控制柴油机ME系列柴油机的燃油喷射系统原理图二、MAN公司的ME系列电控柴油机

1.ME型柴油机的液压系统（4）不同的喷油模式升压喷射，恒压喷射，降压喷射及预喷模式等第二节典型的电子控制柴油机ME系列柴油机各种不同的喷油模式二、MAN公司的ME系列电控柴油机

1.ME型柴油机的液压系统（5）ME系列柴油机的电子排气控制阀

由电磁阀（ELVA）进行控制，由微处理器控制程序系统对各缸排气阀的启闭进行优化控制，以达到最佳的扫气和压缩效果，并满足燃烧与排放要求。第二节典型的电子控制柴油机ME系列柴油机的排气阀执行器和控制阀二、MAN公司的ME系列电控柴油机

2.ME系列柴油机的主要电子控制设备计算机控制系统包括：

输入通道：开关量信号、模拟量信号、脉冲信号等输入

输出通道：控制各个电磁阀的开关量信号，也有继电接触器控制信号、模拟量电压、电流信号等去控制相关执行器

通信通道：与其他计算机进行串行通信，与上、下位机进行网络通信。

控制器的功能：（1）EICU为柴油机接口控制单元，处理与外部系统的接口；（2）ECU为柴油机控制装置，实现柴油机的控制功能；（3）ACU为辅助控制单元，控制液压动力供给单元和辅助鼓风机；（4）CCU为气缸控制单元，控制ELFI（电子燃油喷射）和ELVA（电子控制排气阀）以及气缸启动阀；（5）控制站，驾驶台、集控室和柴油机机旁控制台。第二节典型的电子控制柴油机二、MAN公司的ME系列电控柴油机

2.ME系列柴油机的主要电子控制设备

1）主机信息控制单元（EICU）第二节典型的电子控制柴油机主机信息控制单元与外部系统进行通信接收驾驶台上操作信息和集控室操作界面上信息，同时，还与外部系统进行通信。它与上位机的主机功率管理系统、手动操作系统、主机遥控系统、报警系统、安保系统进行信息交换二、MAN公司的ME系列电控柴油机

2.ME系列柴油机的主要电子控制设备

2）主机控制单元（ECU）第二节典型的电子控制柴油机主机控制单元（ECU）是ME系列柴油机智能控制器的核心，管理三个辅助控制单元（ACU）、各缸控制单元（CCU），和机旁操作板的操作指令，对ACU、CCU下达指令，实现主机换向、启动、喷油、排气、停车等一系列操作。3）辅助控制单元（ACU）辅助控制单元（ACU）是对燃油泵、润滑泵和辅助鼓风机进行启、停控制，使其保持所要求的压力。它有自动控制模式和手动控制模式。二、MAN公司的ME系列电控柴油机

2.ME系列柴油机的主要电子控制设备

4）气缸控制单元（CCU）第二节典型的电子控制柴油机根据曲柄角度编码器的信号确定本缸活塞位置。同时接收主机转速传感器信息，燃油增压活塞和排气阀的位置信号，以及ECU发来的指令，通过计算和综合处理，控制柴油机的启动、停车、喷油、排气等操作。气缸控制单元采用了一个三位三通液压伺服阀（FIVA的比例阀）分别控制燃油喷射和排气阀的开启/关闭。左位通：喷油右位通：气阀动作中位：高压油回流到回油柜。气缸电子注油器（AL），它也是由CCU控制的，它是由喷射频率来控制。燃油喷射和排气阀液压操作原理二、MAN公司的ME系列电控柴油机三、电子控制柴油机的管理要点1）保证滑油系统的清洁。注意各个滤器的状态；2）确保共轨油压管路的密封。特别是进入喷油器的那段管路；3）电磁阀。必须保证滑油的清洁度；4）传感器。保证各个传感器的清洁和保养；5）NOX排放量控制。第二节典型的电子控制柴油机第三节

气体燃料发动机一、柴油机的代用燃料和天然气二、气体燃料的工作原理三、三种典型的气体燃料发动机四、气体燃料供给系统

第三节气体燃料发动机石油价格上涨；能源枯竭；废气排放。一、柴油机的代用燃料和天然气LNG作为船舶燃料的可行性

代用燃料满足的基本条件：

(1)有丰富的存储量;(2)与燃料油相比在经济上要有竞争力;(3)有害排放量要低。

第三节气体燃料发动机

天然气作为替代燃料的可行性：

（1）资源丰富；

（2）清洁燃料；成分90%以上为甲烷

（3）价格便宜。存在问题：LNG的供应、储存、LNG燃料供给系统的设计开发和使用、泵的管理等一、柴油机的代用燃料和天然气2.LNG的组成及理化性质

组成：主要成分为甲烷及微量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其他杂质如硫化氢、水分、二氧化碳、氮气等。

天然气的理化特性：

1）常温常压下天然气为气态；2）天然气是一种无色无味无毒的气体；3）天然气密度低，比空气轻；4）较高的自然温度；5）天然气热值高；6）天然气具有易燃易爆性；7）天然气的燃烧速度较低；8）天然气是无毒的，但对人体有麻醉作用。第三节气体燃料发动机一、柴油机的代用燃料和天然气2.LNG的组成及理化性质

组成：主要成分为甲烷及微量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其他杂质如硫化氢、水分、二氧化碳、氮气等。LNG的特征：

1）低温特性；2）蒸发特性；3）泄漏特性；4）分层；5）翻滚；6）快速相态转变；

第三节气体燃料发动机二、气体燃料的工作原理气体燃料发动机的类型

分类：1）使用燃料的不同；纯气体燃料发动机、双燃料发动机2）进气方式不同：缸外进气、缸内进气3）点火方式不同：电火花点燃或柴油引燃

第三节气体燃料发动机双燃料发动机：“微引燃式”，其特点是当发动机处于燃气模式时，缸内可燃混合气由少量燃油点火，除去这一小部分点火燃油，发动机对外做功的能量全部由气体燃料提供；“混烧式”，其特点是燃油和天然气在缸内一起燃烧，燃油不仅起到点燃气体燃料的作用，同时还提供相当一部分对外做功的能量，发动机可根据工况变化来调整燃油和天然气的比例，以适应负荷的变化。二、气体燃料的工作原理气体燃料发动机的类型

第三节气体燃料发动机

缸外进气又分为总管进气和支管进气，而总管进气又有增压器前进气和增压器后进气两种；缸内进气则通常指缸内直喷，分为低压缸内直喷和高压缸内直喷两种形式。

总管进气（单点喷射）

混合器供气：通常安装在涡轮增压器前，天然气管路与混合器相通，且通往混合器的天然气处于零压状态；

喷射阀供气：通常安装在中冷器后，发动机运转时，燃气喷射阀将略高于增压空气压力的燃气直接喷入进气总管

支管进气（多点喷射）：每一空气进气支管的根部安装一个燃气喷射阀，或在每一气缸盖的进气道上安装燃气喷嘴。二、气体燃料的工作原理2.气体燃料发动机的燃烧控制和稀薄燃烧

第三节气体燃料发动机

“稀薄燃烧”的燃烧：指在燃烧室内将燃料的空燃比控制在约2至2.3之间。在这种方式下运转，发动机可以获得良好的动力性，经济性和排放性能，发动机的热效率可达到47%，而NOx排放可低于1g/kWh。

“稀薄燃烧”区是一个处于爆震和不发火之间一个狭窄的区间，燃料的浓度太高，在燃烧过程中会出现爆震，效率降低，NOx排放高等现象，而燃料浓度过稀，则可能出现不发火的问题。特别在高负荷区，爆震和不发火区域非常接近，柴油机的工作窗口很窄。

气体燃料的供气量是根据发动机的负荷和燃气的热值自动进行调整，并通过调整各缸的进气空气量和燃气相匹配控制各缸的燃气浓度。二、气体燃料的工作原理2.气体燃料发动机的燃烧控制和稀薄燃烧

第三节气体燃料发动机稀薄燃烧的工作窗口三、三种典型的气体燃料发动机第三节气体燃料发动机目前运营的气体燃料发动机主要有三种主流类型，包括：电火花点火式发动机、低压双燃料发动机和高压燃气喷射发动机。电火花点火式发动机

天然气经过燃气阀单元喷入进气道，与进机空气一同被吸入气缸并进行预混合，天然气和空气的混合气在压缩过程中被压缩，当活塞接近上止点时，被压缩的混合气由火花塞点燃，在动力冲程膨胀做功。电火花引燃气体发动机原理图三、三种典型的气体燃料发动机第三节气体燃料发动机电火花点火式发动机罗尔斯·罗伊斯气体机进排气结构图三、三种典型的气体燃料发动机第三节气体燃料发动机低压双燃料发动机