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　　【摘要】：根据改装的双燃料发动机特点设计了基于当量燃料的油气控制策略，该控制策略通过柴油天然气双闭 环实现两种燃料的合理控制，并在改装成双燃料发动机的潍柴X6170上进行试验。试验表明，在不改变原柴油机主 要结构下，改装双燃料发动机能够替代原柴油机作为船舶动力，燃油消耗降低并且排放响应减少，能够平稳进行油 气切换，替代率过大时对HC排放以及排温影响较大。
　　【关键词】：双燃料；双闭环；当量燃料
　　0概述
　　环境污染和石油短缺己成为当今社会发展不可 回避的两大问题。作为航运动力的来源，船用柴油 机的发展受这两大问题的制约。因此，寻找替代燃 料降低对石油的依赖以及满足越来越严格的排放法 规，成为船用柴油机主要发展方向。天然气储量丰 富而又兼具清洁能源的优势，是船用柴油机的理想 替代燃料，国内外也进行了内燃机燃用天然气的应 用研究。与 CNG(Compressed Natural Gas,压缩天 然气，简称 CNG)相比 LNG (Liquefied Natural Gas， 液化天然气，简称LNG)存储密度高，应用在船机上可以解决频繁加气的问题。现阶段船舶柴油机多为 柴油机，直接将柴油机替换为气体机费用较高，因 此将普通船用柴油机改装为双燃料发动机可以作为 当前油改气的主要措施之一。现阶段双燃料发动机 研究主要集中于替代率、排放等，本文提出一种改 装双燃料发动机的油气双闭环控制策略，并在改装 为LNG/柴油双燃料发动机的X6170进行试验，试验 表明，应用该控制策略的改装双燃料发动机可以满 足船舶正常的动力需求，部分排放优于原柴油机，对船舶柴油机改动较小成本低，有利于推广天然气 对于柴油的替代。
　　1油气双闭环控制策略
　　2
　　普通双燃料发动机控制策略为单独控制柴油与 天然气，发动机运行过程中只能通过手动来调节喷 气量或者喷油量。油气双闭环控制策略可以在全工 况下对柴油和天然气同时闭环控制，在不同工况下 可以自行改变喷油量和喷气量，满足船舶动力需求。
　　本文研究的双燃料发动机油气控制策略可以根 据条件合理地判定发动机的燃料模式，分配油气比 例，其中主要一项控制为双燃料发动机油气切换控 制，分为纯柴油模式调速控制和双燃料模式调速控 制，而且两种模式控制都采用转速闭环PID的控制 方法。纯柴油模式调速控制与柴油传统电调控制原 理相同，采用转速和位置双闭环PID(Proportion- Integration- Differentiation，比例-积分-微分） 的调节方式。图1为燃气调速原理图。双燃料模式 调速控制，是根据转速偏差以及当前的设定转速分 别查询P当量燃料MAP、I当量燃料MAP、D当量燃 料MAP得到三者对应的当量燃料变化量，计算得到 当前发动机所需的目标当量燃料。然后，根据目标 当量燃料以及发动机平均转速查询油气分配MAP得 到引燃油量，该引燃油量作为位置闭环PID的目标 值，由供油量调节执行器调节齿条位置到引燃油量 处。由于目标当量燃料和引燃油量都是用齿条位移 表示，因此二者的差值就是燃气所要替代的齿条位 移，即是目标燃气齿条位移。再查询燃气喷射脉宽 MAP得到目标燃气齿条位移对应的燃气喷射脉宽，这 就实现了把用齿条位置表示的燃油量转化为用喷射 脉宽表示的燃气量，该喷射脉宽交给喷射阀即可。
　　最终当量燃料由供油量调节执行器和燃气喷射阀协 同精确地提供给发动机。为防止频繁地在两种燃料 模式下切换，采用迟滞方式控制模式转换，如图2 转速判断条件迟滞控制退出转速要滞后进入转速 50r/min，这在进入与退出双燃料模式之间设置了缓 冲区间，防止因较小转速波动导致频繁进入或退出 双燃料模式。
　　2试验台架
　　双燃料发动机电控系统硬件与软件设计完成， 初步进行软硬件模拟调试并保证无误之后，在试验 台上进行试验研究。该试验台以实现多点喷射为目 的改装X6170柴油机搭建而成，具备使用LNG的条 件。本次改装方案中，改装的发动机使用的是P9型 高压油泵，针对该油泵重新匹配供油量调节执行器， 如图3(2)所示。该执行器通过改变油泵齿条位置调 节供油量，执行器由控制器进行控制，实现机械式 燃油系统向位置式电控燃油系统的改造。在进气歧 管处安装燃气喷射阀，由控制器控制燃气喷射，如 图3(3)所示。
　　本试验由手动方式加气，供油量调节执行器调 节引燃油量。本试验选取600r/min (64.8kW)， 900r/min (218.7 kW)两个转速的推进工况点进行试验。试验时保持功率不变，燃气量从零逐渐往上加， 记录燃油燃气流量以及排放数据。图4是600r/min 不同替代率下的排放，其中三个排放值为相对最大 值所得的数值，图5是600r/min不同替代率下的涡 前排温，图6是900r/min不同替代率下的排放，其 中三个排放值为相对最大值所得的数值，图7是 900r/min不同替代率下的涡前排温。图中可以看出， 600r/min和900r/min时随着替代率的増高，HC排放 量都较快升高，涡前排温也都逐渐升高，NOx排放 量都几乎不变（900r/min是略微升高）；两者不同的 是，600r/min时烟度基本上一直下降，而900r/min 时烟度呈现出先増高再下降的趋势。燃气的主要成 分是CH4,随着掺烧燃气量的増多，未燃HC増多， 导致HC排放量升高。排温升高是因为随着替代率増 加，后燃期延长。碳烟主要由燃油产生，低转速时 替代率越高燃油量越低，烟度越低。高转速时，在 30%~50%替代率区间内起引燃作用的燃油不能与空 气形成较好的混合气，出现了烟度先升后降的现象， 应避开该区间。
　　3.2标定试验
　　(1)油气特性MAP标定
　　使用纯柴油模式，调整转速，并且通过调节测 功机扭矩将发动机输出功率调整到所需负荷率对应 的功率处，记录齿条位置值。
　　(2)油气分配MAP标定
　　双燃料模式下，油气分配MAP的作用是将转速 闭环计算得出的当量燃料分配给燃油和燃气。查询该MAP得到用齿条位移表示的引燃油量。该MAP 的X轴代表用齿条位移表示的当量燃料，Y轴表示发 动机平均转速。船用柴油机改装的LNG/柴油双燃料 发动机由于结构原因，双燃料模式运行过程中在20% 负荷以下有不稳定现象，为保证发动机稳定，避免 了 20%负荷以下在双燃料模式下运行。如图8油气 分配MAP图。从图中20%负荷以下将当量燃料全部 分配给燃油，大于20%负荷时引燃油量就固定在20% 负荷的齿条位置。另外，由于500r/min在发动机怠 速转速附近，不适合运行在双燃料模式，也将当量 燃料全部分配给燃油。
　　3.3油气切换试验
　　使用双燃料发动机的船舶在运行过程中不可避 免地会进行油气切换，当发动机工况适合运行在双 燃料模式时，会将油气切换开关切换到双燃料模式 以达到节省燃油降低排放的目的。通常改装后的双 燃料发动机从纯柴油模式切换的双燃料模式转速会 出现不同程度的波动，这对于发动机平稳运行是不 利的。油气切换过程中，发动机对燃油和燃气的响 应速度不同，如果不能合理地控制切入双燃料模式 过程中加气的速率或者切入纯柴油模式过程中减气 的速率，转速必定会出现较大的波动。