基于硬件在环的船用中速双燃料发动机控制策略研究

王立峰 王秀强 吴贝贝 从田增 苏明涛 衣金水

摘要：

近年来，国际对于环境污染管控越来越严格。为了降低船舶造成的环境污染，国际海事组织制订了船舶航行的排放法规，对于NOx的排放限值愈加严格。在此背景下，船舶应用双燃料发动机技术无论是在控制污染物排放方面还是在控制运营成本的角度来说都有巨大的发展前景。本文以船用中速双燃料发动机为研究对象，对基于硬件在环和虚拟双燃料发动机实时仿真模型的控制策略进行了进一步研究。

关键词：

硬件在环仿真;双燃料发动机;控制策略

中图分类号：

U664.1

文献标识码：

A

文章编号：

1672-9129（2020）15-0049-01

随着国际环境污染的趋势愈发严峻，船舶作为一种重要的交通工具，也是交通污染的重要污染源之一。对此，很多国家也开始研究该如何降低船舶污染。有研究表明，使用天然气作为清洁燃料，以电控单体泵为基础的双燃料发动机，NOx和CO2排放量均得到了大大的降低。对此，需要相关企业及研究人员对其控制策略进行进一步的钻研与探索，以进一步促进基于硬件在环的船用中速双燃料发动机在我国船舶中的应用及发展。

1对于启动及停车的控制

1.1启动。双燃料发动机正常启动前需判断各部分是否满足启动条件，检测的内容包括：启动锁定、燃气是否泄露、预供滑油压力、停车或紧急停车信号有效等。压缩空气按照双燃料发动机发火顺序在膨胀行程充入气缸推动活塞运动，在规定时间内若达到最低启动转速并实现自行发火则继续启动流程;否则，发出启动失败的报警信号。主燃油喷射系统及共轨微引燃喷射系统均开始喷油后，需要确保天然气供给系统关闭，并检测天然气压力、温度等参数是否正常。

1.2停车。双燃料发动机接收到正常停车信号后，系统减少燃料供应，转速降低至怠速，发动机空载，控制器发出信号切断全部燃料供应;接收到紧急故障停车信号后，控制器立即停止全部燃料喷射及供应，转速逐渐降低至0。

2双燃料模式切换控制

2.1柴油至燃气模式切换条件。当船用中速双燃料发动机运行在柴油模式时，双燃料发动机由电控单元LCECU06DA直接控制。系统由柴油模式切换至燃气模式的前提条件是双燃料发动机的转速稳定在（472+△n）r/min（约25%负荷）的时间超过20s，若转速在指定时间内的波动超过这个范围则认为双燃料发动机非稳定状态，不能进行模式切换，需要继续等待转速稳定。

2.2柴油切换至燃气工作模式。双燃料发动机启动时为柴油模式，缸内燃料为纯柴油。当双燃料发动机满足模式切换条件时，电控单元LCECU06DB手动产生柴油模式切换至燃气模式的切换信号DToG，计时器Timer1开始计时T1，燃气量从0开始逐渐增加，并与Timer1呈线性关系。此时，由于电控单元LCECU06DA的作用，在等待约10个工作循环即T1=3s之后柴油量逐渐减少至设定值X。在此过程中，双燃料发动机转速稳定在切换开始的转速472r/min左右。控制器根据齿条位置信号检测到柴油量设定值X时，系统生成柴油停喷信号Enable，天然气量的输出保持恒定，双燃料发动机由电控单元LCECU06DB完全控制，此时标志柴油至燃气模式切换完成。

2.3燃氣切换至柴油工作模式。双燃料发动机工作在燃气模式时，缸内燃料除了微量的柴油用作引燃之外，其它均为天然气。当双燃料发动机负荷减小至25%负荷以下时，电控单元LCECU06DB自动产生切换信号GToD;当双燃料发动机遇到故障或其他特定情况时，电控单元LCECU06DB手动产生切换信号GToD。系统检测到切换信号GToD后，需从燃气模式切换至柴油模式，计时器Timer2开始计时T2，燃气量从当前值开始逐渐减少至0，并与Timer2呈线性关系。此时，双燃料发动机再次受电控单元LCECU06DA控制，柴油量从设定值X逐渐增加至燃气量为0，并使双燃料发动机维持在当前转速，标志燃气至柴油模式切换完成。

3燃气喷射控制

燃气喷射的控制主要包括三个部分，即喷射正时、喷射脉宽和喷射压力。喷射正时即喷射提前角，表征发动机在某一工作循环中燃料起始喷射的时刻，一般以压缩上止点为基准;喷射脉宽和喷射压力是相对于每循环燃料的喷射量而言的，这些对发动机动力性、经济性和排放性的影响很大。

对于船用中速双燃料发动机型船用双燃料发动机来说，喷射部分的执行机构为燃气喷射阀LCQ2D20H50，根据该型阀的技术资料可查，当某个时刻系统状态稳定时，进气温度、燃气喷射阀前后压差可确定，燃气喷射阀全开后天然气的质量流量即可计算出来。当燃气质量流量确定后，可根据每循环燃气量计算出天然气的喷射脉宽，转化为该转速下对应的曲轴转角度数，最后能估算出该工况下的喷射提前角大致范围。为了更好的减小计算值与实际值的偏差，在实际的应用中，各工况下的喷射提前角及喷射脉宽会通过台架试验标定获得，并以MAP的形式存储在控制器内部。喷射脉宽MAP的输入为燃气喷射压差与每循环燃气量，输出即为该工作循环喷射脉宽的基础值，燃气温度作为修正因素之一;喷射提前角MAP的输入为每循环燃气量和双燃料发动机当前转速，输出即为该工作循环喷射提前角的基础值，燃气温度作为修正因素之一。

4总结

基于硬件在环仿真平台的船用中速双燃料发动机电控系统是验证双燃料发动机仿真模型和控制策略开发的必要环节，研究基于硬件在环的船的启动停车、双燃料模式切换以及燃气喷射控制策略具有重要的理论意义和工程应用指导价值。

参考文献：

[1]高先理.船用双燃料发动机电液联控多点喷射系统设计与实现[D].山东大学，2019.

[2]吴悦.基于硬件在环的船用中速双燃料发动机控制策略研究[D].武汉理工大学，2016.