船用双燃料发动机电子控制系统的设计

吕 青

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)



船用双燃料发动机电子控制系统的设计

吕 青

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

本文通过对双燃料发动机特点及改装方案的论述，阐述了如何通过对发动机电子控制系统的合理设计，提高双燃料发动机燃料热效率。

双燃料发动机；电子控制器；喷射量

随着国际海事组织(IMO)排放标准的限制，降低发动机的尾气排放已成为了人们必须解决的问题。以液化天然气(LNG)作为发动机燃油的替代燃料引起了船舶运输行业的极大的关注，船舶柴油/LNG双燃料发动机的研究有着重要的社会价值和深远的意义。绿色航运、绿色船舶的理念已深入人心，逐渐成为了人们的共识，这也是现代航运业可持续发展战略的必然结果。如何在原柴油机基本结构不变的情况下，将柴油机改造成柴油/LNG双燃料发动机，而且还能将燃料的热效率发挥到最高,这已成为这个课题的研究方向。

1 气体发动机的分类

按燃料的性质来划分可将发动机分为三种类型：单一燃料类型、两用燃料类型和双燃料类型。单一气体燃料类型的发动机就是只能用一种固定类型燃气的发动机，它的工作原理类似于汽油机，在原来气缸盖燃油喷射的位置将喷油器改装成火花塞，对气缸缸盖、活塞、冷却系统、进气和排气系统也需要进行改造，所以改动程度比较大，改装过程复杂，而且改装的成本费用也非常高，在现在的技术条件下基本已经不适用了。两用燃料类型的发动机是在原机的基础上，维持原发动机中的燃油供应管路不变，在机体上另外再重新增加一套燃气供应管路，形成燃油供应管路和气体燃料供应管路两个相互孤立的系统单元，两个管路互不干扰，互不影响，但该类型的发动机有很大的一个缺点，就是只能使用其中的一种燃料来燃烧做功，发动机的气缸内部结构、燃烧压缩比、喷油嘴、点火器等方面,这两种燃烧不能同时满足，最后使得每一种燃料都不能发挥它的最佳燃烧性能。双燃料类型的发动机，该类型的发动机也是在维持原机基本结构的条件下。仅仅增加了一套燃气供应管路，不改变原发动机的燃油供应管路以及发动机的压缩比，其燃料供给系统和两用燃料发动机相类似，但是它不需要火花塞点火装置，也不需要对发动机的其它部分进行修改，而是采用燃油微引燃技术，用喷入气缸里的燃油压燃释放的能量来点燃气体燃料，在发动机运动时可以根据实际需要在两种燃料之间进行自由选择，并且可以同时使用两种燃料混合燃烧运行，它能兼顾两种燃料的燃烧性能。双燃料发动机是气体燃料在发动机上使用的最主要方式，双燃烧发动机可以使用像天然气等这样的绿色燃料，改善了现有柴油机排放噪音等多方面的问题，正得到广泛推广。

2 双燃料发动机的特点

就发动机本身而言，气态燃料的使用可以在很大程度上降低其内部活塞与气缸壁的磨损，减少发动机的维护保养频率，延长发动机的工作年限。天然气可以与空气比较均匀的混合，易于形成均匀的可燃性混合物，各缸内的喷射量可通过电子控制单元来调节，使天然气和空气的比例达到最优值，能使气缸内的燃料进行比较充分的燃烧，同时也有利于稀薄混合气体的燃烧。使用天然气与使用液态燃料不同，它不需要高压油泵和喷油器等这些高度精密的喷油设备，也不需要液体燃料雾化处理装置，不必对燃料进行喷射加工处理，只需要准时定量喷射就可以，没有过多的工序处理。但由于过多地喷入气态燃料，会造成气体燃料燃烧不充分，因此要对气体量的控制非常准确，设计合理的控制策略。与液体燃料相比，天然气在燃烧室内形成混合物时，混合气体占有气缸的体积比柴油的相对要多，影响了进入气缸的压缩空气量，这对发动机的燃烧也是非常不利的。对双燃料发动机来说，气体燃料的供应方式一般分为两种：利用混合器混合的方式和利用电子喷射阀喷射的方式，利用混合器混合的方法就是利用混合器的前后气压来检测，检查前后压差来进行控制，然后去调节气流阀的开度，不断地为每个气缸供应燃气，只是利用混合器法对空燃比的控制不是很精确，并不能达到理想的效果。利用电子喷射阀喷射的方法可以在运行程序中对燃气喷射的定量和定时可以精确控制，并可准确判断喷射始点，以及燃气进排门的时刻在活塞上止点。在气缸压缩比较高以及压缩终点喷射的燃气发动机上，主要使用高压喷射的供应方法，这样就可以得到更高的燃料供给量和延续时间较短的燃气供应时间。

柴油天然气发动机点火方式是采用微量柴油引燃技术，液化天然气经气化后，在活塞的压缩行程中和空气一起喷入气缸内，由微量柴油来引燃混合可燃气体。只是它不需要另外在气缸盖上加装点火装备，原来发动机压缩发火的过程不变，也不要加其它的辅助装置。该系统并不需要对原机进行很大结构方面的改动，而且它有两种运动模式，既有纯柴油运动模式，也有柴油天然气双燃料运行模式。在天然气不充足的情况下，非常方便地恢复原机使用纯柴油的工作模式。目前这种改装方式是柴油机的一个重要方向，因此以压燃方式点火的双燃料发动机，相比与原火花塞点火式发动机，具有独特的优势：

(1)能发挥两种燃料各自的燃烧性能，其热效率高，不改变原柴油机的结构。

(2)不改变原机的发火方式，而且相比于火花塞火花放出的热量，微量燃油燃烧放出地热量要更高，可以使气缸内的可燃混合物快速地点火燃烧，燃烧时停留在滞然斯的时间也会更短。

(3)可以加快天然气燃烧火焰的传播速度，因为微量柴油的燃烧易于形成多个点火源，可以同时在多个区域范围内引然天然气，缸内天然气充分燃烧需要的时间更短，这样可以提高发动机的动力性，天然气与空气的混合更均匀，燃烧更充分，更容易实现比较稀薄的燃烧。

(4)需要改变的柴油机结构非常小，大部分双燃料发动机所用的引燃柴油都是基于原柴油机的燃油供应管路，而没有另外增设供油设备，仅仅增加一套天然气供应系统，就可以将原机改成双燃料发动机，保留原机的各个单元，只是附加一路燃气供应管路和控制线路，最大程度地减低了改造成本费用，这样的改装和维修都比较方便。

(5)双燃料发动机可以运行在纯柴油模式，也可以运行在双燃料模式，在发动机启动和气体燃料不充足时就可以运行在纯柴油工作模式。

3 双燃料发动机的电子控制系统总体设计

系统的构思和设计是根据传统柴油机的工作和热量转换原理，以此理论原理为支持，设计系统的运行和控制算法。不改变发动机的物理结构，也不改变冷却管路、滑油管路、燃油管路、进气管路和排气管路等系统的零部件，保证用压缩燃烧的方式来给燃料点火。将天然气供应管路连接在原来压缩空气的进气管路上，而且还需要把天然气和以前的燃油结合一起控制。气缸中除去高压空气外，其它的燃料由柴油的雾化燃烧改变了雾化的柴油燃烧，再由天然气燃烧的两种燃料混合型燃烧。根据各种磁电传感器和温度传感器实时测得的信号，输入到电子控制系统中，在电子控制系统中经过信号分析处理，来判断发动机的工作状况，发出信号对喷入气缸的天然气量、柴油量和空气量进行控制，通过调整各种燃料量，使发动机在最优条件下工作运行。存储在储气罐中的高压液化天然气，经过截止阀和减压阀降压处理，在经过热交换器的水槽汽化，冷却的液化天气与水进行热交换，在一个标准大气压下，水的温度为二十多度，而液化天然气的温度为零下一百多度，通过水槽中的管路与水进行热交换，可以使液化天然气被汽化，形成高压的天然气蒸汽。在压缩上止点喷入的少量柴油使其自燃，柴油自燃释放的热量去引燃气缸中的混合燃气，并与其混合燃烧，推动活塞运动做功。本系统通过电子转换按钮，在纯柴油运行模式与双燃料运行模式之间进行模式的自由转换。

设计是将电子控制技术与具有特殊管路的燃气/柴油混合器技术的完美结合。在很大程度上简化了柴油/LNG双燃油发动机的控制系统，使其不必进行大量复杂的精确计算，就可通过实验很容易的调节柴油燃气的比例，确保双燃料发动机动力性能所需的各种燃料量，调节天然气体量和柴油量，可以保证电子控制系统控制算法高效的运行，保证了机械执行机构延时滞后性得到最大程度的降低，体现出电子控制的独特优势。使用电子控制器，可以减低建造的成本，不必使用那些昂贵的仪器，将控制流程置于芯片的处理器中，就可以实现自动调节，而且精度非常高，没有人工的参与，保证实时动作，实时性非常强，没有延时，调节快速准确。

电子控制器的喷气技术手段是气体燃料发动机巨大优势中的一种形式，对喷射量的控制也会更加准确。这种控制方法可以充分发挥双燃料发动机上各自燃料具有的燃烧排放性能，对燃料的喷射量控制也可以实现最优化。

因为微柴油点火引燃技术的改变，由于天然气的自燃点比柴油要高很多，发动机采用柴油运行时，只需要气缸的压缩就可以使柴油自燃而燃烧，但是天然气却不行，在气缸内压缩天然气时不能使其自然，因此需要先喷入微量的柴油，活塞在压缩行程会使气缸内的温度达到柴油的自燃点，柴油自燃释放的热量又会使气缸内的温度升高，使缸内的温度升高到天然气的着火点，从而去引燃气缸内被喷入的天然气可燃物。以这种微量柴油来作点火器功效的技术，是以天然气作为发动机运行是的主要燃料，而喷入的少量柴油只起到升高气缸内温度的作用。

喷射天燃气时对天燃气的压力并没有强制的标准，唯一的限制条件是天然气量要充足。当天然气供应管路中有足够的天然气时，电子控制器就可以使发动机选择运行在双燃料模式，具有实时通信和监控功能的电子控制器，可以通过传感器获取工况信号，不断的检测得到需要发动机的各种信号，在电子控制器中经过信号转换和运算，就可以得到发动机运行的相关数据，这些参数在电子控制单元里处理后，就会根据发动机的运行工况，发生控制信号命令，对喷入气缸的天然量以及控制量进行控制，调节天然气的进气量，实现天然气自身的充分燃烧，保证充分发挥燃料各自的特性。这样的调节充分发挥了电子控制器的集成化特点，将控制逻辑和参数调整等功能集于一体，不需要外部额外的附加设备。

4 结 语

该设计实现了天然气的多点顺序喷射的精确控制。设计核心是一个液化天然气供应和一个电子控制喷射系统。其中，天然气供应系统中采用电子喷射阀来控制气体喷射，电子控制系统是以天然气的喷射量为控制核心的。它能够比较精确控制天然气的喷射量，通过对电子喷射阀时间的控制调节，来调节天然气喷射量，从而实现改变燃油的替代率，最终使双燃料发动机达到最佳的动力性、经济性和排放性。对喷气实行电子控制，这样使得双燃料发动机燃料的经济性能得到改善，热效率得到提高，排放性能也得到改善，对喷射提前角和喷射压力的选择也会更加合理和准确，加快了燃料燃烧的速度和保证了燃烧时的稳定性。

1 高青，李虎，梁宝山等.天然气/柴油双燃料发动机电控喷气技术研究[J].汽车工程，2000(6)

2 董健，高孝洪等.柴油/LPG发动机的双燃料供给系统[J].内燃机工程，2001(2)

3 王雪瑜，朱行健.燃气轮机工作原理及性能[M].科学出版社出版，1992

4 金峰.柴油/CNG双燃料电子控制系统研究[D].武汉理工大学硕士学位论文，2003(4)

(责任编辑：谭银元)

On Electronic Control System Designing for Marine Dual Fuel Engine

LV Qing

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

Based on the characteristics of dual-fuel engine and the modified scheme, this paper explains ways of improving the thermal efficiency of the dual-fuel engine fuel through the reasonable design of engine electronic control system.

dual-fuel engine; electronic control system; injection amount

2014-11-12

吕 青，女，副教授，主要从事机械设计与制造方面的教学和科研工作。

U664.1

A

1671-8100(2015)03-0017-03