雙燃料控制系統(tǒng)在船用發(fā)動機上的應(yīng)用研究

劉東，張暉，李治朋，郝利華，張東科

(中國石油集團濟柴動力有限公司，山東 濟南　250306)

引言

C8190型雙燃料發(fā)動機是某公司研發(fā)的一款多點噴射船用發(fā)動機，采用清潔能源液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)，降低排放，符合綠色環(huán)保、節(jié)能減排的發(fā)展要求[1]。

在C8190型船用發(fā)動機上配裝雙燃料控制系統(tǒng)，進行純柴油模式和雙燃料模式下的推進特性試驗，測試該控制系統(tǒng)的性能，并通過控制系統(tǒng)的調(diào)整，提高該發(fā)動機的性能[2-3]。

1　控制系統(tǒng)的組成與功能

1.1　雙燃料發(fā)動機的設(shè)計原則

雙燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該實現(xiàn):

1)純柴油和雙燃料兩種模式;

2)空載和怠速工況時，使用純柴油模式;

圖1　雙燃料控制系統(tǒng)組成

3)標定工況下，替代率大于85%;

4)模塊化設(shè)計，運行安全，可靠性高;

5)減排效果明顯。

1.2　雙燃料控制系統(tǒng)的組成與功能

雙燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)主要由雙燃料控制器、燃氣電噴閥、轉(zhuǎn)速傳感器、燃氣執(zhí)行器、燃氣壓力傳感器、增壓壓力傳感器、油門位置傳感器等部件組成，如圖1所示。

雙燃料控制系統(tǒng)具有純柴油模式和雙燃料模式自動切換功能，同時具有故障自診斷、增壓壓力保護、排溫保護、安全保護等功能，具備機旁控制功能，以及供駕駛室或集控室的遠程控制系統(tǒng)使用的對外接口。

2　控制系統(tǒng)的工作原理

控制系統(tǒng)通過控制燃氣的進給量，實現(xiàn)對柴油的替代。通過測量燃氣進氣壓力和各缸排溫，根據(jù)測量值控制發(fā)動機在雙燃料和純柴油兩種模式間自動切換，從而保護發(fā)動機[4]。

圖2　雙燃料模式下柴油和燃氣的進給曲線圖

雙燃料模式下柴油和燃氣的進給曲線(下文簡記作進給MAP圖)如圖2所示，雙燃料控制系統(tǒng)中設(shè)置了一條“柴油油門目標設(shè)定曲線”來設(shè)定柴油油門位置。如果油門位置信號高于目標設(shè)定曲線，則燃氣閥打開，通過逐漸增大燃氣的進給量，相應(yīng)減小柴油的進給量，從而使柴油進給量逐漸接近期望值。當發(fā)動機在雙燃料模式下運行時，雙燃料控制器采集到油門位置信號和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，通過查找燃氣閥—油門控制曲線圖(下文簡記作控制MAP圖,如圖3所示)的相應(yīng)值，調(diào)整燃氣執(zhí)行器開度，控制燃氣的進給量，實現(xiàn)對柴油的替代[5]。

雙燃料控制器通過測量燃氣進氣壓力和各缸排溫，自動切換發(fā)動機的運行狀態(tài)，從而保護發(fā)動機。發(fā)動機在雙燃料模式下運行時，如果燃氣進氣壓力或排溫超過設(shè)定值，將會自動切換到純柴油模式。當燃氣進氣壓力和排溫都正常后，發(fā)動機就恢復到雙燃料模式。

圖3　MAP圖

3　控制系統(tǒng)的調(diào)試

3.1　柴油油門目標曲線的標定

柴油油門目標設(shè)定曲線是發(fā)動機雙燃料模式下最經(jīng)濟的運行曲線。當發(fā)動機以純柴油模式起動后，燃氣根據(jù)柴油油門的反饋位置和轉(zhuǎn)速開始參與燃燒，同時參與燃燒的柴油量開始減少。柴油的供油量不斷地接近柴油油門目標設(shè)定曲線，但不能超過該曲線。同樣，燃氣的進氣量也受到MAP的限制[6-7]。

圖4　柴油目標曲線

柴油目標曲線如圖4所示，X軸為轉(zhuǎn)速、Y軸為柴油期待目標值。當柴油期待目標值Y低于油量實際值時，雙燃料模式才可以正常運行。如果柴油期待目標值Y等于油量實際值，油量實際值不會隨燃氣閥開度的增加而減小。此時證明油量限制曲線起效，限制了油量的最小值[8-9]。

基于運行安全性考慮以及保持發(fā)動機運行效果，在空載和80%以上負載的時候不建議加燃氣，所以在設(shè)置柴油目標曲線時應(yīng)保證空載和滿載時的基本柴油供給[10]。在機器排溫正常，轉(zhuǎn)速不出現(xiàn)波動的前提下，盡量加大燃氣閥開度，以求最理想的替代率[11-12]。

3.2　雙燃料模式下燃氣開度的調(diào)整

根據(jù)控制MAP圖調(diào)整燃氣閥的開度，其中X軸表示轉(zhuǎn)速，Y軸表示油門位置，Z軸表示燃氣閥開度。

調(diào)整控制MAP圖前，應(yīng)先用純柴油模式開機并加到滿負載，在加載過程中，記下每個功率段的油門位置，以便做油量限制曲線，并為填寫MAP圖的Y軸做參考。

在轉(zhuǎn)速為X、油量值為Y時的燃氣閥開度為Z。當燃氣閥開度Z增加時，油量值Y減小。做替代率試驗時，如果需要增大替代率，則調(diào)大Z的值；反之，如果需要減小替代率，則調(diào)小Z的值。

當油量值Y減小到柴油目標曲線限制點時，而排溫及替代率還未達到要求值時，可放大柴油目標曲線限制點，以增大它的替代率。

雙燃料控制系統(tǒng)控制發(fā)動機在起動和怠速時按純柴油模式運行；當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負載達到控制器中MAP圖設(shè)定的工況時，控制器自動控制燃氣閥打開到此工況對應(yīng)的設(shè)定值，發(fā)動機進入雙燃料工作模式。

4　控制系統(tǒng)的配機試驗

在船用發(fā)動機上進行該雙燃料控制系統(tǒng)的配機試驗。C8190型船用雙燃料發(fā)動機標定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，標定功率為600 kW。

4.1　試驗方法

C8190型多點噴射雙燃料發(fā)動機分別在純柴油模式和雙燃料模式下，按表1程序進行推進特性試驗[13]。

對純柴油模式和雙燃料模式都按照推進特性試驗程序進行試驗，并記錄試驗數(shù)據(jù)。需要記錄的數(shù)據(jù)有：功率、油耗率、氣耗率、煙度、爆壓、增壓比、渦輪前排氣壓力、渦輪前排氣溫度等。

表1　推進特性試驗程序

4.2　試驗結(jié)果

推進特性試驗數(shù)據(jù)見表2，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制出推進特性曲線，純柴油模式下的推進特性曲線見圖5，雙燃料模式下的推進特性曲線見圖6。

表2　推進特性試驗數(shù)據(jù)

圖5　純柴油模式下的推進特性曲線

圖6　雙燃料模式下的推進特性曲線

4.3　試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明，在雙燃料控制系統(tǒng)的控制下，C8190型船用發(fā)動機按照推進特性運轉(zhuǎn)時，各項性能指標均滿足設(shè)計要求，發(fā)動機運行平穩(wěn)，標定工況下替代率大于85%。標定工況下，純柴油模式時煙度為0.60 FSN，雙燃料模式時煙度為0.28 FSN，降低了53%。經(jīng)排放測量數(shù)據(jù)分析，雙燃料模式下NOx的排放量較純柴油模式下降低了大約50%，節(jié)能減排效果顯著[14-15]。

5　結(jié)論

通過在C8190型雙燃料發(fā)動機上的配機試驗，使雙燃料控制系統(tǒng)在船用發(fā)動機上得到應(yīng)用。用雙燃料代替純柴油，能夠顯著減少污染物的排放，滿足節(jié)能減排的環(huán)保要求。雙燃料控制系統(tǒng)，具有純柴油模式和雙燃料模式自動切換功能，滿足CCS要求。標定工況下，能夠使替代率大于85%，經(jīng)濟效益十分可觀。通過雙燃料控制系統(tǒng)在此機型上的應(yīng)用試驗，獲得了一些經(jīng)驗，進而為推廣該控制系統(tǒng)在其他機型上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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