劉東，張暉，李治朋，郝利華，張東科

(中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東 濟(jì)南　250306)

引言

C8190型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是某公司研發(fā)的一款多點(diǎn)噴射船用發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)上配裝雙燃料控制系統(tǒng)，進(jìn)行純柴油模式和雙燃料模式下的推進(jìn)特性試驗(yàn)，測(cè)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)原則

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該實(shí)現(xiàn):

1)純柴油和雙燃料兩種模式;

2)空載和怠速工況時(shí)，使用純柴油模式;

圖1　雙燃料控制系統(tǒng)組成

3)標(biāo)定工況下，替代率大于85%;

4)模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由雙燃料控制器、燃?xì)怆妵婇y、轉(zhuǎn)速傳感器、燃?xì)鈭?zhí)行器、燃?xì)鈮毫鞲衅?、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(dòng)切換功能，同時(shí)具有故障自診斷、增壓壓力保護(hù)、排溫保護(hù)、安全保護(hù)等功能，具備機(jī)旁控制功能，以及供駕駛室或集控室的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)使用的對(duì)外接口。

2　控制系統(tǒng)的工作原理

控制系統(tǒng)通過控制燃?xì)獾倪M(jìn)給量，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油的替代。通過測(cè)量燃?xì)膺M(jìn)氣壓力和各缸排溫，根據(jù)測(cè)量值控制發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料和純柴油兩種模式間自動(dòng)切換，從而保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。

圖2　雙燃料模式下柴油和燃?xì)獾倪M(jìn)給曲線圖

雙燃料模式下柴油和燃?xì)獾倪M(jìn)給曲線(下文簡記作進(jìn)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(biāo)設(shè)定曲線”來設(shè)定柴油油門位置。如果油門位置信號(hào)高于目標(biāo)設(shè)定曲線，則燃?xì)忾y打開，通過逐漸增大燃?xì)獾倪M(jìn)給量，相應(yīng)減小柴油的進(jìn)給量，從而使柴油進(jìn)給量逐漸接近期望值。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料模式下運(yùn)行時(shí)，雙燃料控制器采集到油門位置信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過查找燃?xì)忾y—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?xì)鈭?zhí)行器開度，控制燃?xì)獾倪M(jìn)給量，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油的替代[5]。

雙燃料控制器通過測(cè)量燃?xì)膺M(jìn)氣壓力和各缸排溫，自動(dòng)切換發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料模式下運(yùn)行時(shí)，如果燃?xì)膺M(jìn)氣壓力或排溫超過設(shè)定值，將會(huì)自動(dòng)切換到純柴油模式。當(dāng)燃?xì)膺M(jìn)氣壓力和排溫都正常后，發(fā)動(dòng)機(jī)就恢復(fù)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(biāo)曲線的標(biāo)定

柴油油門目標(biāo)設(shè)定曲線是發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料模式下最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行曲線。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以純柴油模式起動(dòng)后，燃?xì)飧鶕?jù)柴油油門的反饋位置和轉(zhuǎn)速開始參與燃燒，同時(shí)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(biāo)設(shè)定曲線，但不能超過該曲線。同樣，燃?xì)獾倪M(jìn)氣量也受到MAP的限制[6-7]。

圖4　柴油目標(biāo)曲線

柴油目標(biāo)曲線如圖4所示，X軸為轉(zhuǎn)速、Y軸為柴油期待目標(biāo)值。當(dāng)柴油期待目標(biāo)值Y低于油量實(shí)際值時(shí)，雙燃料模式才可以正常運(yùn)行。如果柴油期待目標(biāo)值Y等于油量實(shí)際值，油量實(shí)際值不會(huì)隨燃?xì)忾y開度的增加而減小。此時(shí)證明油量限制曲線起效，限制了油量的最小值[8-9]。

基于運(yùn)行安全性考慮以及保持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效果，在空載和80%以上負(fù)載的時(shí)候不建議加燃?xì)?，所以在設(shè)置柴油目標(biāo)曲線時(shí)應(yīng)保證空載和滿載時(shí)的基本柴油供給[10]。在機(jī)器排溫正常，轉(zhuǎn)速不出現(xiàn)波動(dòng)的前提下，盡量加大燃?xì)忾y開度，以求最理想的替代率[11-12]。

3.2　雙燃料模式下燃?xì)忾_度的調(diào)整

根據(jù)控制MAP圖調(diào)整燃?xì)忾y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?xì)忾y開度。

調(diào)整控制MAP圖前，應(yīng)先用純柴油模式開機(jī)并加到滿負(fù)載，在加載過程中，記下每個(gè)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(shí)的燃?xì)忾y開度為Z。當(dāng)燃?xì)忾y開度Z增加時(shí)，油量值Y減小。做替代率試驗(yàn)時(shí)，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(dāng)油量值Y減小到柴油目標(biāo)曲線限制點(diǎn)時(shí)，而排溫及替代率還未達(dá)到要求值時(shí)，可放大柴油目標(biāo)曲線限制點(diǎn)，以增大它的替代率。

雙燃料控制系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和怠速時(shí)按純柴油模式運(yùn)行；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載達(dá)到控制器中MAP圖設(shè)定的工況時(shí)，控制器自動(dòng)控制燃?xì)忾y打開到此工況對(duì)應(yīng)的設(shè)定值，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入雙燃料工作模式。

4　控制系統(tǒng)的配機(jī)試驗(yàn)

在船用發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行該雙燃料控制系統(tǒng)的配機(jī)試驗(yàn)。C8190型船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，標(biāo)定功率為600 kW。

4.1　試驗(yàn)方法

C8190型多點(diǎn)噴射雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)分別在純柴油模式和雙燃料模式下，按表1程序進(jìn)行推進(jìn)特性試驗(yàn)[13]。

對(duì)純柴油模式和雙燃料模式都按照推進(jìn)特性試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)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(jìn)特性試驗(yàn)程序

4.2　試驗(yàn)結(jié)果

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

表2　推進(jìn)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5　純柴油模式下的推進(jìn)特性曲線

圖6　雙燃料模式下的推進(jìn)特性曲線

4.3　試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)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(dòng)機(jī)按照推進(jìn)特性運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，標(biāo)定工況下替代率大于85%。標(biāo)定工況下，純柴油模式時(shí)煙度為0.60 FSN，雙燃料模式時(shí)煙度為0.28 FSN，降低了53%。經(jīng)排放測(cè)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(dòng)機(jī)上的配機(jī)試驗(yàn)，使雙燃料控制系統(tǒng)在船用發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)切換功能，滿足CCS要求。標(biāo)定工況下，能夠使替代率大于85%，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。通過雙燃料控制系統(tǒng)在此機(jī)型上的應(yīng)用試驗(yàn)，獲得了一些經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而為推廣該控制系統(tǒng)在其他機(jī)型上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李克，楊鐵皂，徐斌，等. 天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科技版)，2004，25(2)：28-32.

[2]華偉，張偉，趙九江等. 論液化天然氣船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展空間[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011(9)：52.

[3]梁昱，周立迎. 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究綜述[J].貴陽學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，3(3)：18-23.

[4]陳永義，張幽彤，劉興華. 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的開發(fā)[J].內(nèi)燃機(jī)，2003(1)：9-11.

[5]劉震濤，俞小莉，費(fèi)少梅. 天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)特性研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2002，23(2)：15-19.

[6]劉立，吳光耀. 柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究[J]. 中國科技論文在線精品論文，2010，3(16)：1651-1654.

[7]馮國勝，賈素梅. 基于柴油機(jī)的電控天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007(3)：36-39.

[8]鄭斌. 小型柴油機(jī)改裝為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2009，38(4)：58-60.

[9]馮國勝，張幽彤，李建純等. 天然氣電控發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26(4)：56-58.

[10]高青，李虎，田文凱等. 柴油引燃天然氣雙燃料燃燒穩(wěn)定性研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)，2001，22(3)：404-406.

[11]O.M.I. Nwafor. Effect of choice of pilot fuel on the performance of natural gas in diesel engines[J]. Renewable Energy，2000，21：495-504.

[12]M.Y.E. Selim. Sensitivity of dual fuel engine combustion and knocking limits to gaseous fuel composition[J]. EnergyConversion and Management，2004，45：411-425.

[13]萬德玉，李樹生. 柴油機(jī)試驗(yàn)測(cè)試與分析實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京：學(xué)苑出版社，2000.

[14]R.G. Papagiannakis，D.T. Hountalas. Experimental investigation concerning the effect of natural gas percentage on performance and emissions of a DI dual fuel diesel engine[J].Applied Thermal Engineering，2003，23：353-365.

[15]R.G. Papagiannakis，C.D. Rakopoulos，D.T. Hountalas，et al. Emission characteristics of high speed，dual fuel，compression ignition engine operating in a wide range of natural gas/diesel fuel proportions[J]. Fuel，2010，89：1397-1406.