内河天然气柴油双燃料船用发电机燃料系统的研究.docx
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内河天然气柴油双燃料船用发电机燃料系统的研究
摘要
随着排放法规的日趋严格和世界能源的日益短缺，节能、高效与环保成为内燃机技术发展的主导方向。
而当前广泛使用的内燃机替代燃料压缩天然气（CNG）具有能量密度较高，排放低，便于贮存和运输等优点，被认为是最有发展前途的发动机清洁燃料。
在三峡库区使用CNG燃料动力的船舶，有利于船东降低燃料成本和维护当地的生态环境。
CNG燃料在发动机上的应用，可以改善发动机的经济性和排放性能。
在三峡库区，空气中的污染物主要来自于船舶柴油机的尾气，柴油机在工作时会排放大量有害物，形成对库区流域严重的污染。
电子控制的CNG/柴油双燃料供给系统作为一种较为理想的柴油机燃料供给系统，它可以使得柴油机选择灵活的燃料模式，在天然气充裕的地方选择燃用天然气替代部分柴油以改善排放性能，降低油耗节约成本。
而在没有气源的情况下也能恢复到原方式运行。
但这种船舶在三峡库区还未出现。
本论文在参阅文献和借鉴国内外设计开发经验的基础上，结合三峡库区船舶的实际情况，采用理论分析、仿真设计与试验研究相结合的研究模式。
针对2135型柴油机燃料供给系统的，改制了一套电控柴油/天然气双燃料系统，并在柴油机试验台上进行了天然气配比掺烧试验研究。
最后，根据2135型柴油机和螺旋桨运行工况特点，在中和考虑能耗，经济性，排放指标和系统稳定型之后，拟定发动机沿螺旋浆推进特征曲线运行时较佳掺烧比。
关键词:
发动机，双燃料，天然气，电控系统
Abstract
Engineisusedtoburnliquidoilanditsproductsasmajorfuel.However,asthe
earth'savailableoilreservesdecreasesatanincreasinglyhigherspeed，energy-saving
andemission-reductioncatchesthefocalattentionofthesociety.Studyofalternative
fuelgrowstobeabloomingsubject.Naturegas，oneofkindsofclear,steadyandrich
fuel,isreplacingoil'spriorposition，leadingustotimesofgasfuel.
Naturegasisakindofgood-antiknock-qualityfuelbecauseofitshighflash
point.Besides,Enginewilldischargelessexhaustedgaswhenburningnaturegas.
Withcharacteristicsofbothgasolineanddiesel，naturegaswillfitenginewellasan
alternativefuel.Butoriginalenginehastobespeciallydesignedandconversedfirst,
sothattechnologiesofnaturegasengineshowadiversityofpractice.
Thedualftielenginedesignedisaconversionofa6210ZLDSturbo-charging
dieselengine,keepingoriginalstructureunchangedsuchasdieselsystem,airsystem,
etc.AnewCNGsystemisaddedtosupplynaturegas,whoseinjectiontimingandflowarepreciselycontrolledbyECU.Theenginefinallyrealizesoperatinginamodenamed“dual-fliel，dual-period".Itoperatesasadieselat50%ratedpowerandbelow,whileburnsdieselandCNGathigherpowerwhendieselworksaspilotfuel,ignitingcombustiblemixtureincylinder.
Thedualfuelenginedevelopedfinallyworksatratedspeed（750r/min）,with
ratedload（500kW）,realizingsteadyoperationwithdieselat20percentsandCNGat
80percents.Thecostshowsanobviousdecreasealso.
Keywords:
Dual-fuelEngine，ControlStrategies，ExperimentInvestigation，CNG
InjectionValve
目录
第一章绪论…………………………………………………………………………………5
1.1双燃料发动机和天然气现状…………………………………………………………5
1.2本文的选题背景………………………………………………………………………5
1.3研究目标和内容………………………………………………………………………5
1.3.1研究目标…………………………………………………………………………6
1.3.2研究内容…………………………………………………………………………6
第二章柴油双燃料船用发动机燃料系统…………………………………………………6
2.1柴油双燃料船用发动机燃料供给系统组成…………………………………………6
2.2柴油双燃料船用发动机燃料供给系统工作原理……………………………………7
2.3驱动机构………………………………………………………………………………7
第三章控制策略7
3.1双燃料发动机控制策略………………………………………………………………8
3.1.1纯柴油模式运行下控制策略……………………………………………………8
3.1.2双燃料模式运行下控制策略……………………………………………………8
3.2实际控制形式确定……………………………………………………………………8
3.3MATLAB/SIMuLINK软件仿真…………………………………………………………9
3.3.1柴油机模型………………………………………………………………………9
3.3.2仿真过程…………………………………………………………………………10
第四章发电机实验…………………………………………………………………………12
4.1实验目的……………………………………………………………………………12
4.2实验设备……………………………………………………………………………13
4.3经济性分析…………………………………………………………………………14
第五章电控系统……………………………………………………………………………14
5.1电控系统概述………………………………………………………………………15
5.2电控系统设计概述…………………………………………………………………15
结论………………………………………………………………………………………17
致谢………………………………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………………19
前言
当今世界石油资源日益匾乏，环境污染日趋严峻，柴油机由于其良好的经济
性和动力性，被广泛地用作各种机械的动力。
但是柴油机的碳烟和氮氧化合物
伽Ox）排放却比较严重，对城市环境及人类健康危害很大，若不采用有效的措施
加以解决，柴油机的应用将会受到日益严格的排放法规的限制。
近年来，天然气
作为一种新型能源在国际和国内都受到广泛的关注，随着天然气资源的开发和
内燃机技术发展，燃用天然气的发动机通过良好的控制可以比同等的汽油机和
柴油机具有更低的排放，有利于解决日益严重的大气污染问题。
当柴油机掺烧天
然气时，由于天然气在发动机内与空气混合时同为气态，混合更均匀，燃烧也更完
全。
因此，掺烧天然气后发动机与柴油发动机相比可明显降低有害物质的排放，特
别是颗粒物排放。
另外，它还可完全消除铅、苯和芳香烃等严重危害物。
同时天
然气是一种廉价的燃料，而且分布广泛具有良好的资源配置，以天然气作为代
用燃料将减少国家对进口石油的依赖程度，因此天然气作为发动机动力能源是
传统燃料的理想替代品。
天然气作为内燃机燃料始用于30年代，但是受到天然气
存储技术的限制未能得到广泛应用。
直到上世纪70公仆年代，随着材料科学技
术和制造工艺的进步，使天然气在交通工具上的使用成为可能;另一方面，在严
格排放法规的要求和激烈的商业竞争作用下，以电子控制技术为核心的发动机
技术已日益成熟，促进了天然气发动机的技术进步，使天然气发动机的动力性、
经济性、排放性等各项性能不断提高，天然气作为优质燃料的潜力也充分发挥出
来;我国天然气资源非常丰富，也为天然气发动机的发展提供了可靠的资源保证。
柴油引燃的天然气发动机是将减压后的压缩天然气与空气在进气管混合后
引入发动机气缸，再喷入引燃柴油点燃混合气，仍按原发动机的着火方式进行工
作。
此系统不改变发动机原有结构，它既可燃烧天然气/柴油两种燃料，也可燃用
纯柴油，在没有足够气体燃料来源时，双燃料发动机易于恢复原机工作方式，改装
简单、成本低。
目前这种方式是天然气发动机首选的方式，是天然气发动机应用
主流。
第一章
绪论
1.1双燃料发动机和天然气现状
目前:
双燃料发动机主要采取汽油或柴油机改装改进而来，按其着火方式可分为两种;
（l）采用点燃式;此方式多用于汽油机或用于拆除喷油嘴后加装火花塞的柴油机。
此方式用于汽油机时较为简单，而用于柴油机时需对其进行改装，一般的做法是将喷油嘴拆掉，在原位上加装火花塞。
这种方法改装后发动机只能烧天然气。
而不拆喷油嘴直接加装火花塞虽能保持原机性能，但实施起来却较为困难。
（2）采取柴油引燃方式;在掺烧CNG的基础上同时喷入一定量的柴油来引燃天然气。
此方式既可以在双燃料模式下运行，也可以在纯柴油模式下工作。
且对原机改动不大。
1.2本文的选题背景
船舶柴油机尾气排放已成为三峡库区空气污染的重要来源之一。
目前三峡库区船舶采用的主要动力源仍然是柴油机，柴油机在工作时会排放大量有害物，其中颗粒等排放物直接落于水面污染水体，气体排放物容易形成酸雨，形成对库区流域更为严重的二次污染。
而使用较为清洁的天然气是改善发动机性能，提高经济性和减少有害排放的一种有效措施。
川气入汉将使湖北省能源结构发生重大变化，为湖北省三峡库区船舶使用天然气燃料创造了条件。
为此，2006年湖北省交通厅批准立项了题为《天然气燃料在湖北省三峡库区标准船型上的应用研究》的科研项目。
其中该项目轮机部分为:
（l）设计出适用于湖北省三峡库区标准船型的CNG/柴油双燃料船用发动机燃料供给系统;
（2）研制开发出具有独立知识产权的CNG/柴油双燃料船用发动机燃料电控控制原型装置;
（3）通过CNG/柴油双燃料船用发动机的台架试验，确定了最佳的天然气掺烧策略，优化了发动机性能，确保发动机良好的动力性、经济性和排放性;当前库区环境问题日益突出，库区船舶对提高燃油经济性和降低有害排放物的有迫切要求日趋，节约能源和控制有害排放己成为发动机技术的发展方向，本课题旨在构建发动机电子控制燃料供给装置，并通过理论分析和试验研究使得发动机在各种工况范围内都能获得性能优化，达到改善发动机性能提高经济性和减少有害排放的目的。
1.3研究目标和内容
1.3.1研究目标
本文以2135型柴油机燃料供给系统为研究对象，构建一套天然气/柴油双燃料供给系统。
该系统应能在2135柴油机实验台上实现该型发动机在柴油/天然气双燃料模式下运行。
并且通过天然气/柴油双燃料船用发动机的台架试验，确定最佳的天然气掺烧策略，优化了发动机性能，确保发动机良好的动力性、经济性和排放性。
此外通过对系统进行实验研究和理论分析，掌握改装后发动机在双燃料模式下工作特点。
1.3.2研究内容
（1）组建一套满足上述要求的天然气/柴油双燃料供给及驱动系统。
（2）拟定控制策略和实验方案，并在柴油机实验台上，测试出相应的实验数据。
（3）通过对实验数据特性的研究分析，找出最佳控制方式并设计相应的电控系统。
第二章柴油双燃料船用发动机燃料系统
2.1柴油双燃料船用发动机燃料供给系统组成
发动机燃料供给系统如图2.1所示，其所应具备的功能如下:
（l）实现天然气/柴油双燃料运转模式的良好控制;
（2）实现天然气量的精确控制;（3）实现柴油量的精确喷射;（4）实现柴油、天然气比例喷射要求;（5）实现在不同负荷工况下燃料比例的分配;（6）能够在柴油和柴油+天然气模式间切换。
1一柴油柜2一截止阀3一柴油过滤器4一发动机5一高压油泵6一油量调节机构7一油量调节机构驱动机构8一天然气瓶9一截止阀10一天然气过滤器11一天然气减压装置12一天然气流量计13一大然气流量调节阀14一蓄电池15一混合器16一天然气流量调节阀驱动机构17一ECU18一油门机构19一转速传感器
图2一1双燃料发动机燃料供给系统简图
2.2柴油双燃料船用发动机燃料供给系统工作原理
天然气依靠储气压力从钢瓶8出来，经滤清器10滤去杂质流入天然气减压装置11，减压后通过流量计12，再通过流量比例调节阀13的精确控制，最后进入与发动机4进气总管相连的混合器15，与空气混合后形成可燃混合气供发动机使用。
13一天然气流量调节阀由接收ECU控制信号的驱动机构16驱动，控制进入混合器巧的天然气的量。
同时高压油泵5上的油量调节机构6由接收ECU控制信号的驱动机构7动作，直接控制油泵齿条，对柴油量精确控制，实现按发动机工况变化，对油气燃料比例的柔性调节，达到天然气/柴油双燃料船用发动机的最佳性能。
2.3驱动机构
在发动机燃料系统改装过程中，选择步进电机作为使ECU发出的电信号转换为动作过程的执行机构。
步进电机又称脉冲电动机。
是数字控制系统中的一种执行元件，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移且其输出转角，转速与输入脉冲个数频率有着严格的同步关系。
步进电机由于其本身的特点在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本。
但是，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。
步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统。
正因为步进电机系统能较为精确地控制转角和转向，因此本系统改装后，驱动装置用步进电机来控制燃料流量的调节装置。
本项目中采用四通电机公司的步进电机及其驱动器。
步进电机主要参数:
绝缘电阻—500VDC100MOMin
轴向间隙—0.1一0.3~
径向跳动—0.02~Max
温升—65KMax
绝缘强度—750VACIMinute
环境温度—一20℃~十50℃图2-2步电机图
绝缘等级—B级
第三章控制策略
3.1双燃料发动机控制策略
当把发动机传统的燃料供给和调速系统改装成电控双燃料系统后，发动机
已不能再按原有的模式运行，必须为其制定新的控制策略。
3.1.1纯柴油模式运行下控制策略
改装后的发动机仍可在纯柴油模式下运行，但此时的发动机已无机械调速功能，需靠电控系统实现调速功能。
电控系统控制转速主要靠读取目标转速，测量当前转速，调速运算，向执行机构发出油量增减信号几个步骤实现转速稳定。
其中调速运算的算法是采用PI调节器，其对发动机的转速稳定至关重要，这也是本章所要着重要阐述的。
3.1.2双燃料模式运行下控制策略
改装后的发动机在双燃料模式下运行时，电控系统根据目标转速，在预设的MaP图中找出相应的最佳掺烧比，在向驱动器发出指令将天然气阀开启致对应位置。
而当发动机转速波动时，是完全靠调节引燃油量来控制转速;而油量的调节方式和发动机在纯柴油模式下的调节方式完全一样。
3.2实际控制形式确定
PD控制器的参数整定;PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定Pm控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PD控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类:
一、是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二、是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
本项目中主要采用工程整定方法中的衰减曲线法整定。
1/4衰减曲线振荡法
这是一种闭环的整定方法。
它基于纯比例控制系统成1/4衰减振荡法试验所
得数据，即临界比例带氏，和临界振荡周期双，利用一些经验公式，求取调节器
最佳参数值。
其整定计算公式如表1所示。
具体步骤如下：
表3一1:
衰减曲线法整定计算公式
衰减率
整定参数
δ
Ti
TD
0.75
Ρ
δS
ΡΙ
1.2δS
0.5Ts
PID
0.8δS
0.3Ts
0.1Ts
（l）置调节器积分时间界到最大值（界二。
），微分时间几为零（TD二0），比例带占置较大值，使控制系统投入运行。
（2）待系统运行稳定后，做设定值阶跃扰动，并观察系统的相应。
若系统相应衰减太快，则逐渐减小比例带，相反，若系统相应衰减太慢，则逐渐加大比例带直到系统出现如图3一1所示的1/4衰减振荡过程。
记录下此时的比例带氏，振荡周期兀的值。
（3）利用氏和Ts值，按表1给出的相应计算公式，求调节器各整定参数次不和几的数值。
3.3MATLAB/SIMuLINK软件仿真
为了拟定调速器所采用的PI值，使其能够满足需要及时稳定转速，拟采用
柴油机模型模拟转速调整过程，便于选择合适的调速参数。
.3.3.1柴油机模型
利用武汉理工大学己有柴油机模型进行模拟调速试验，其中主要由为调速器
模型，发动机模型，起动电机模型，动力模型组成。
图3-2模型简图
3.3.2仿真过程
1.设定调速器模型
模拟柴油机转速稳定后。
目标转速突变，同时断开原有调速器，启动己设
置好的只具有比例调节工能的模块使柴油机在只有比例调节作用的情况下工
作。
不断调整比例系数使系统产生1/4衰减振荡过程，记录此时的氏和界值。
当Pl的系数等于209时，系统产生1/4衰减振荡过程;
由于要得出4值还需乘以个gain3值的系数0.000001
氏=4784·6890，界=1·45
占=1.2戈=5741.6268;不=0·5界阅·7
由此推出模型gainZ的值应为174.1667gainl的值应为249。
但代入原模型
后再次模拟时，将启动转速设定为800r/min，然后逐次加到1500r/min发现这
样的PI参数在高速时较为满意，但在低速时振荡较大，
调整gainl的值应为加0时系统响应
调整gainl的值应为175时系统相应
调整gainl的值应为150时系统相应
经过多次调适对比，在既要考虑响应迅速，又要使其振荡不要太大，而且在启动时能在启动电机停止工作后将转速迅速稳定在启动转速，中和以上情况，将g滋nl的值定为175。
这时的p为0.0001741值为0.00015。
第四章发电机实验
4.1实验目的
发动机在同一工况点可以以不同的掺烧比来掺烧天然气，其稳定性，能耗，
经济性，排放也不尽相同，中和考虑上述因素应求得一点在保证发动机稳定的
情况下，尽可能优化其它性能;即得出在该工况点的较优掺烧比。
为达到此目
的，须在试验台架上做试验。
4.2实验设备
实验台架包括:
柴油机，水力测功器和别的测试设备。
仪器名称
型号
生产厂家
柴油机
2135
上海柴油机厂
水力测功器
D350
启东测控设备公司
数字示波器
TDS1002B
美国Tektronix公司
转速传感器
HK型霍尔接近开关
南京中旭电子
气缸压力传感器
AVL-8QP500CA
奥地利AVL公司
电荷放大器
AVL一3059
奥地利AVL公司
CNG流量计
LLQ一25一1
重庆仪表厂
烟度计
FQD一201
温州仪器仪表厂
柴油机综合数字分析仪
AVLHSP6501
奥地利AVL公司
为双燃料柴油机整体实验台架，发动机采用2135柴油机，天然气经过高压和低压两级减压后进入文丘里管再通过电控的步进电机调节进气量进入发动机。
压缩天然气供气系统的工作压力Max20MPa，减压为两级，静态输出绝对压力约为lbar，供给发动机进气管压力为负压式。
由于天然气采用压缩天然气，因此在天然气减压过程中会吸收大量的热，为防止大量供气时特别是发动机高速满负荷时大量高压天然气膨胀时会吸收大量热量，可能会产生冰堵，为避免此类情况发生，须保证一定的供气温度，因此给供气系统加装了加温装置，其热源来自发动机的冷却水。
高压天然气经过高压减压阀后压力降低，然后天然气进入低压减压阀，将天然气降到静态压力lbar。
在末端先进入天然气流量计，再进入天然气调节阀。
该方案的天然气供给与调节系统包括天然气气瓶、截止阀、减压器、流量调节阀、混合器等。
电控单元依据发动机的油门位置设定、转速的变化通
过步进电机控制天然气流量、引燃柴油量。
该方案的天然气量和引燃柴油量都可以根据需要控制。
排放指标好，起动、怠速时以纯柴油工作，当模式开关切换到双燃料模式下时，发动机的控制系统发出指令，使其自动转为双燃料工作方式。
4.3经济性分析
在掺烧天然气后发动机的能耗有明显的下降，节能又减排，既能为船东带
来良好的经济效益，也有良好的社会效应。
下面以一艘三峡库区80客位的客渡船为例来做下具体计算。
船舶排水量:
35.”t
续航里程:
IOOKm
航速:
13构对h
柴油机型号:
XZ105BC一5两台
燃油消耗率:
235吵.kw
柴油机功率:
16.2kw
两台主机一个航次耗油:
235*（100八3）*16.2*2=58.57kg（约70.36L）
燃油价格:
5.00元/升
纯烧柴油一个航次燃油费:
70.36*5.00二351.8元
柴油热值:
43MJ崛
总热值:
58.57*43=2518.51MJ
天然气热值:
31.4MJ/m3
掺烧CNG50%:
2518，5一/2/31.4科0时
掺烧CNG50%
油耗:
35.18L
燃油费:
35.18*5.00=175.9元
CNG费:
40*2.6=104元
总费用:
211.08+104=279.9元
差价为:
351.8一2
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