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原文传递船用中速微引燃双燃料发动机控制方法研究

论文题名：	船用中速微引燃双燃料发动机控制方法研究
关键词：	船用中速微引燃双燃料发动机;燃气模式;运行控制;多缸平衡控制;爆震监测
摘要：	环境恶化和能源危机迫使船舶动力行业寻求高效率、低排放、稳定可靠的船舶动力系统替代方案，以应对日益严苛的排放法规和石油资源濒临枯竭的现状。天然气因其储量丰富、高效和清洁等特点已成为当前理想的替代燃料之一。船用微引燃双燃料发动机可达到船用柴油机同等水平的功率输出，且无需后处理装置便可以满足IMOTierⅢ排放要求，目前已有技术成熟的船用微引燃双燃料发动机推向市场。然而，国内在船用微引燃双燃料发动机领域尚处于早期研发阶段，因此，开展其控制技术研究对于我国船用中速微引燃双燃料发动机工程化开发和推广具有非常重要的现实意义。　　本文以ACD320DF型船用中速微引燃双燃料发动机为研究对象，针对其工程应用的技术难点和问题开展控制系统关键技术研究，主要包括船用微引燃双燃料发动机燃烧与排放特性分析、燃气模式运行控制逻辑与策略优化分析、燃气模式起动控制方法及低负荷性能优化、燃料模式切换控制方法、多缸平衡控制方法及爆震监测控制方法的仿真与试验研究，主要研究内容和结论如下：　　（1）开发了发动机测控系统和数据采集系统；建立了发动机整机一维仿真模型和缸内工作过程三维CFD仿真模型，分别对发动机燃气喷射过程、废气旁通阀调节过程、引燃油喷射过程、燃烧放热过程等进行精确建模，并验证了仿真模型精度；基于一维仿真模型仿真分析了发动机进排气、燃气喷射过程等对多缸均匀性影响，基于三维CFD仿真模型仿真分析了包括燃气逃逸、燃烧放热规律、排放物生成规律和火焰传播规律等在内的发动机燃烧与排放特性；通过仿真结果与试验结果交叉验证，揭示了船用中速微引燃双燃料发动机缸内工作过程的基本规律；据此完成以IMOTierⅢ的NOx排放限值为目标的全工况参数标定与优化，额定工况燃料替代率达99.5%，热效率达44.03%，稳态转速波动率低于1.51%，加权后NOx排放量为2.25g/kW·h，满足CCS型式认可要求。　　（2）完成了发动机控制系统需求分析，基于NI软硬件开发了发动机控制器快速控制原型，制定了发动机基本控制逻辑和控制策略；分析了燃气模式全工况范围内运行的可行性，提出了发动机燃气模式起动的控制策略，并实机验证；探究了发动机燃气模式低负荷性能优化及停缸运行的控制策略，实现了发动机全工况范围内燃气模式运行。　　（3）针对发动机燃料模式切换过程转速波动大的问题，分析了发动机在不同燃料替代率下燃烧性能，据此提出了发动机燃料模式切换控制策略，研究了切换时长和主燃油断油位置对燃油模式至燃气模式切换过程影响，研究了快切时长对燃气模式至燃油模式快速切换过程的影响，最终在实机验证，发动机20%-80%额定功率范围内燃油至燃气模式和任意工况燃气至燃油模式切换平稳，切换时长分别为120s和0.2s，其转速波动最大约为5.7%和10.8%。　　（4）针对发动机存在的多缸不平衡问题，首先基于一维仿真模型，仿真分析由于单端进气和燃气低压喷射而导致的各缸进气不均匀现象及引起的各缸不平衡状态，提出了基于气缸压力和排气温度反馈闭环控制方法，采用燃气喷射量补偿方法实现发动机多缸平衡控制，并在实机上试验验证了控制方法的有效性，结合试验结果得到发动机不同工况下优化的平衡控制方案。试验证实，所制定发动机多缸平衡控制方法有效降低了各缸不平衡性。　　（5）针对发动机燃气模式会发生爆震的问题，分析了发动机爆震发生机理，阐述了失火与爆震的相互联系，利用气缸压力和气缸盖振动信号分析了发动机的爆震特性，提取了爆震特征参数，各参数进行相关性分析，提出了爆震判据和爆震等级判别方法，证实了发动机爆震的可诊断性及其强度的可判断性。
作者：	郑先全
专业：	轮机工程
导师：	杨建国
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021