鄭先全，楊建國,2，黃祿豐，朱樹林，錢正彥

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室低速機電控分實驗室，湖北 武漢 430063；3.安慶中船柴油機有限公司，安徽 安慶 246003)

船用發(fā)動機排放法規(guī)日益嚴苛，能源需求不斷增加，天然氣以其儲藏豐富、低成本、清潔燃燒的特點已逐漸用于船用發(fā)動機，柴油微引燃天然氣發(fā)動機不加尾氣后處理裝置可滿足國際海事組織Tier III排放標準，目前天然氣燃料發(fā)動機已推向船用市場[1-2]。雙燃料發(fā)動機可運行于燃氣模式或柴油模式，2種模式可相互切換，燃氣模式的缸內(nèi)燃燒對進氣溫度、混合氣濃度、引燃油噴射量及噴射時刻等參數(shù)較為敏感，如控制不當將產(chǎn)生爆震與失火現(xiàn)象[3-6]。研究表明，隨著天然氣燃料替代率的上升，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒循環(huán)波動也呈增長趨勢[7]。雙燃料發(fā)動機燃料模式切換過程應(yīng)保持其轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定和無爆震與失火現(xiàn)象。芬蘭Wartsila公司船用微引燃雙燃料發(fā)動機的燃料替代率可達99%，發(fā)動機80%以下負荷120 s內(nèi)可完成柴油至燃氣模式的切換[8]。目前國內(nèi)雙燃料發(fā)動機燃料模式切換的研究目標機型缸徑較小、燃料替代率低和功率覆蓋范圍窄，所采用的研究方法以建模仿真和控制算法優(yōu)化為主。童毅等[9]采用電控柴油和天然氣的控制方式，通過調(diào)整雙燃料發(fā)動機燃氣供給系統(tǒng)參數(shù)和優(yōu)化控制策略，消除了燃料切換過程較大幅度的轉(zhuǎn)速波動。宋恩哲等[10]通過調(diào)整加氣和減氣速率的控制方式，實現(xiàn)了平穩(wěn)的油氣切換。文獻[11-13]則通過優(yōu)化控制算法，進行了雙燃料發(fā)動機燃料切換轉(zhuǎn)速波動抑制的仿真分析研究。燃料模式切換過程中發(fā)動機缸內(nèi)燃燒狀態(tài)變化是引起其轉(zhuǎn)速波動的根本原因，但上述研究少有涉及，且其控制方法能否滿足缸徑更大、替代率更高的船用微引燃雙燃料發(fā)動機模式切換要求還不得而知。關(guān)于船用微引燃雙燃料發(fā)動機燃料模式切換的試驗研究鮮見報導。

針對船用微引燃雙燃料發(fā)動機燃料模式切換過程轉(zhuǎn)速波動大和燃燒不穩(wěn)定等問題，本文以ACD320 DF型船用中速微引燃雙燃料發(fā)動機[14]為對象，分析不同燃料替代率的發(fā)動機燃燒特征與性能，據(jù)此提出燃料模式切換的控制策略，并試驗驗證其切換效果；分析發(fā)動機燃燒波動及切換時長等因素對切換過程的影響，通過控制主燃油油門齒條、燃氣噴射壓力及脈寬，在可切換的功率范圍內(nèi)以期實現(xiàn)發(fā)動機燃料模式的平穩(wěn)切換，避免缸內(nèi)出現(xiàn)爆震和失火現(xiàn)象。

1 燃料試驗裝置及試驗方法

1.1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)及特點

ACD320DF氣缸數(shù)為6，缸徑為0.32 m，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，額定功率2 430 kW。圖1是發(fā)動機燃料供給原理圖。發(fā)動機柴油模式下由電子調(diào)速器控制電液執(zhí)行器拉動油門齒條實現(xiàn)其轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；發(fā)動機燃氣模式采用進氣歧管多點噴射方式將燃氣噴入進氣道，采用高壓共軌噴射方式將微引燃柴油(1%燃料總熱值左右)噴入缸內(nèi)引燃混合氣，由主控制單元控制燃氣噴射閥前后壓差和噴射脈寬控制燃氣噴射量大小，以保證其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定[15]。采用廢氣旁通閥控制增壓空氣壓力，使缸內(nèi)混合氣濃度(或過量空氣系數(shù))保持在合理的范圍。

圖1 氣缸燃料供給Fig.1 Schematic of fuel supply into the cylinder

1.2 替代率和燃料模式切換試驗方法

發(fā)動機燃氣至柴油模式切換過程可在較短時間(2個循環(huán))內(nèi)完成，停止燃氣噴射，同時電子調(diào)速器開始工作，其切換過程的控制方案相對成熟。本文分別在發(fā)動機推進特性25%、50%、75%負荷進行不同替代率和燃料模式切換試驗。試驗時燃氣模式保持燃氣軌壓、燃氣噴射時刻、增壓空氣壓力、引燃油噴射量、引燃油噴射時刻和進氣溫度等參數(shù)不變。柴油模式的廢氣旁通閥保持關(guān)閉狀態(tài)。不同替代率試驗時，手動調(diào)整燃氣噴射脈寬，倒逼主燃油量的變化，使燃料替代率控制在目標值附近。待發(fā)動機運行穩(wěn)定后，連續(xù)記錄150個循環(huán)的各缸燃燒狀態(tài)。燃料模式切換試驗時調(diào)整發(fā)動機各負荷的切換時長(90～180 s)，記錄切換過程的轉(zhuǎn)速波動和各缸燃燒狀態(tài)。表1是發(fā)動機不同負荷下的關(guān)鍵控制參數(shù)。

表1 不同負荷下發(fā)動機關(guān)鍵運行參數(shù)Table 1 Key engine operating parameters under different load conditions

發(fā)動機燃料替代率ESR為：

(1)

式中：Hd為柴油低熱值；Hg為天然氣低熱值；md為主燃油循環(huán)噴射量；mg為燃氣循環(huán)噴入量；mpd為引燃油噴射量。

以轉(zhuǎn)速波動率φn來表征切換過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬態(tài)變化的程度：

(2)

式中：nmax/min為切換過程轉(zhuǎn)速的最大或最小值；nm為當前轉(zhuǎn)速平均值。

2 燃料模式切換試驗結(jié)果分析

2.1 燃料替代率對發(fā)動機燃燒性能的影響

表2是發(fā)動機各工況引燃油量、主燃油量及燃氣流量，其中，主燃油噴射時刻為9 ℃A BTDC，柴油模式引燃油噴射時刻為6 ℃A BTDC，用以冷卻噴油器，有燃氣噴射時為15 ℃A BTDC。

表2 燃料消耗Table 4 Fuel consumption

圖2是發(fā)動機不同負荷不同燃料替代率的氣缸壓力及放熱率，可見隨著負荷增大，由于廢氣旁通閥開啟而導致的壓縮壓力降低更加明顯。各負荷柴油模式(ESR=0)下的爆發(fā)壓力Pmax明顯大于其他替代率下的Pmax。不同負荷柴油模式缸內(nèi)的放熱呈典型的雙峰曲線，分別由柴油預(yù)混壓縮燃燒和擴散燃燒導致。發(fā)動機各負荷主燃油噴射時刻不變，第1個峰值相位一致，但隨著負荷增大，燃油量增大，擴散燃燒占比增大，故第2個峰值由明顯低于第1個峰值轉(zhuǎn)變?yōu)榇笥诘?個峰值；隨著轉(zhuǎn)速增加，第2個峰值相位后移。ESR為50%時，缸內(nèi)燃燒放熱率呈現(xiàn)3個峰值，這是由于燃氣參與燃燒時，引燃油噴射早于主燃油噴射，引燃油預(yù)混壓縮燃燒引起第1個較低的放熱率峰值，主燃油預(yù)混壓縮燃燒引起第2個放熱率峰值，混合氣多點預(yù)混燃燒和主燃油擴散燃燒引起第3個放熱率峰值。此時放熱率第2峰值相位與柴油模式時第1峰值相位高度一致，前者幅值在較高負荷時甚至高于后者，表明燃氣的點燃加速了主燃油預(yù)混合壓縮燃燒。當ESR達到80% 時，主燃油占比較少，主燃油預(yù)混合壓縮燃燒主導的第2個峰值和擴散燃燒引起 第3個放熱率峰值減弱，而燃氣多點預(yù)混合燃燒主導的第3個峰值遞增[6,16]。燃氣模式ESR=99%時，主燃油停止噴射，此時缸內(nèi)燃燒放熱率曲線又恢復為雙峰型式，且燃燒相位明顯后移。另外，發(fā)動機各負荷下當ESR從50%增大到99%時，引燃油著火延遲持續(xù)增大，這是因為較高替代率時引燃油著火前缸內(nèi)混合氣濃度更高，抑制了引燃油著火。

圖2 不同燃料替代率時氣缸壓力與放熱率Fig.2 Cylinder pressure and heat release rate of different fuel substitutions

圖3為發(fā)動機各負荷下不同替代率時各缸平均指示有效壓力循環(huán)變動COVIMEP，各負荷柴油模式的COVIMEP均較低，且各缸呈現(xiàn)良好的一致性。當ESR上升到50%時，25%負荷下除第2缸外其他各缸COVIMEP均出現(xiàn)大幅度上升且超過6.8%，而50%負荷和75%負荷下，各缸COVIMEP仍能維持在3%以下。當ESR上升到80%時，各負荷下各缸COVIMEP均出現(xiàn)不同幅度上升，且各缸差異明顯增大，各負荷下COVIMEP最大依此為10.2%、8.4%、4.6%。而發(fā)動機燃氣模式各負荷的各缸COVIMEP均降低至較低水平。雖然雙燃料發(fā)動機各缸做功一致性問題有待進一步研究，但仍可以得出，隨著主燃油量減小，燃氣量增大，各缸燃燒波動加劇，同時各缸燃燒一致性變差。

圖3 不同燃料替代率時COVIMEP值變化Fig.3 Variation of COVIMEP of different fuel substitutions

綜上所述，雙燃料發(fā)動機模式切換過程，隨ESR升高其缸內(nèi)燃燒波動加劇，切換時應(yīng)嚴格控制燃氣量的增加速率，尤其是切換后期ESR達到較高水平時，應(yīng)避免產(chǎn)生燃燒不穩(wěn)定；同時應(yīng)嚴格控制缸內(nèi)燃料總量以防止燃燒粗暴或功率不足。

2.2 模式切換過程控制策略及分析

發(fā)動機應(yīng)在一定的負荷范圍內(nèi)均可進行模式切換。在較低負荷(25%負荷)進行切換試驗，不同控制策略的切換試驗分別是主燃油快速切斷、燃氣噴射提前進入閉環(huán)控制、燃氣量設(shè)定值高于當前工況所需燃料量等3種策略，具體如圖4所示。模式切換過程中，采用增加燃氣噴射量迫使柴油噴射量被動降低的方法進行轉(zhuǎn)速控制[9]。

圖4 燃料模式切換控制策略方案Fig.4 Control strategies of diesel to gas mode switch-over

圖5為發(fā)動機25%負荷按照策略1燃料模式切換過程，切換瞬間主燃油切斷發(fā)動機進入燃氣模式。由于燃氣軌內(nèi)開始并非是燃氣，最初若干個循環(huán)噴入缸內(nèi)的燃氣量不足，易產(chǎn)生缸內(nèi)失火，此時轉(zhuǎn)速急速下降32 r/min，φn約為6.6%。由于發(fā)動機負荷較低，其轉(zhuǎn)速仍然可控，燃氣噴射量尚未出現(xiàn)較大超調(diào)，缸內(nèi)也未發(fā)生爆震現(xiàn)象；高負荷運行時則存在缸內(nèi)爆震現(xiàn)象的風險。發(fā)動機模式切換時不能采用主燃油瞬間切斷的“快速切換”的方式，應(yīng)控制其燃氣增加速率，以防燃燒惡化和出現(xiàn)爆震現(xiàn)象。

圖5 燃料模式切換過程(策略1)Fig.5 Diesel to gas mode switch-over (strategy 1)

圖6為發(fā)動機25%負荷按照策略2燃料模式切換過程，燃氣噴射量按設(shè)定的斜率增加，約30 s時刻燃氣模式閉環(huán)調(diào)速參與轉(zhuǎn)速控制。此時燃氣量和柴油量均保持穩(wěn)定，切換最終時刻(約120 s)其主燃油瞬間切斷進入燃氣模式，此時由于缸內(nèi)燃料量不足，其轉(zhuǎn)速急速下降50 r/min，φn約為10.6%，燃氣噴射脈寬明顯超調(diào)，此后轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定。發(fā)動機高負荷時的轉(zhuǎn)速波動更大，缸內(nèi)出現(xiàn)爆震現(xiàn)象的可能性較大，甚至有出現(xiàn)轉(zhuǎn)速持續(xù)下降導致停機的可能。因而燃氣模式的閉環(huán)調(diào)速應(yīng)在發(fā)動機即將切換完成時參與轉(zhuǎn)速控制，此時其主燃油噴射量較低，燃氣噴射脈寬控制由開環(huán)控制轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制更加平穩(wěn)，可避免因主燃油切斷而導致的轉(zhuǎn)速大幅度波動。

圖6 燃料模式切換過程(策略2)Fig.6 Diesel to gas mode switch-over (strategy 2)

圖7是發(fā)動機25%負荷按照策略3燃料模式切換過程，其燃氣量預(yù)設(shè)定值大于當前工況所需的燃氣量，切換最后時刻轉(zhuǎn)速迅速上升，隨后主燃油噴射切斷，燃氣噴射量進入閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速迅速降低后逐漸穩(wěn)定?？梢娙細饬吭O(shè)定值偏大或偏小均引起轉(zhuǎn)速大幅度波動，嚴重時將直接導致發(fā)動機超速或停機。另外，由于電子調(diào)速器響應(yīng)滯后，主燃油量在燃氣量達到目標值時并未降低至零，進一步加劇了轉(zhuǎn)速激增。

圖7 燃料模式切換過程(策略3)Fig.7 Diesel to gas mode switch-over (strategy 3)

以上分析可見，影響切換過程的關(guān)鍵因素主要包括燃氣量增加速率、主燃油量降低速率、燃氣量目標值和燃氣噴射進入閉環(huán)控制的時刻等。其中主燃油量降低速率通過標定閉環(huán)控制參數(shù)調(diào)整，燃氣量目標值通過嚴格標定獲取。

圖8是優(yōu)化的發(fā)動機模式切換的控制策略，燃氣量增加采用3段控制方式，即首先按預(yù)設(shè)定斜率增加，至目標值時保持不變，隨后進入閉環(huán)控制。整個切換過程分為4個階段：1)T1時刻接收切換指令，引燃油噴射量切換至當前發(fā)動機工況燃氣模式所需油量，燃氣噴射量按設(shè)定的斜率上升至查表所得的當前發(fā)動機工況燃氣模式所需燃氣量，電子調(diào)速器正常工作，此時的燃氣量增加使其轉(zhuǎn)速略微上升，迫使柴油噴射量逐漸降低；2)T2時刻燃氣噴射量達到目標值，由于電子調(diào)速器響應(yīng)略微滯后，主燃油噴射量并未降低至零，隨后燃氣噴射量保持不變，主燃油繼續(xù)降低；3)T3時刻主燃油降低至設(shè)定的斷油位置，轉(zhuǎn)速控制變量由柴油模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿細饽Ｊ剑l(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)為燃氣模式閉環(huán)調(diào)速控制，同時電子調(diào)速器延遲停止工作；4)T4時刻完成模式切換，主燃油噴射量降低至零，發(fā)動機進入燃氣模式。

圖8 優(yōu)化的模式切換控制策略Fig.8 Optimized control strategies of diesel to gas mode switch-over

圖9是發(fā)動機各負荷燃料模式切換過程，以75%負荷為例，0 s時刻(T1)開始切換；約90 s時刻(T2)燃氣噴射量達到其當前負荷燃氣模式所需燃氣量，其轉(zhuǎn)速稍高于設(shè)定轉(zhuǎn)速，以此迫使主燃油量降低，由于電子調(diào)速器機械延遲，主燃油齒條位置并未降低到零點位置，轉(zhuǎn)速升高越大主燃油量降低越快；約130 s時刻(T3)主燃油齒條位置降低到設(shè)定的閉環(huán)控制切換位置，轉(zhuǎn)速較T2時刻有所上升，此時燃氣模式轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制接入，其轉(zhuǎn)速降低到設(shè)定轉(zhuǎn)速附近，轉(zhuǎn)速快速降低使電子調(diào)速器輸出出現(xiàn)小幅階躍上升，此后電子調(diào)速器延遲停止工作，等待切換完成；180 s時刻(T4)切換完成，發(fā)動機進入燃氣模式。各負荷下切換過程進氣壓力和燃氣壓力均能快速穩(wěn)定在目標值附近，切換過程轉(zhuǎn)速上升分別約15、12、11 r/min，轉(zhuǎn)速波動率分別約為3.2%、2.0%、1.6%，燃料模式切換效果良好。

圖10是75%負荷燃料模式切換過程4#缸Pmax和IMEP的變化。切換開始后，廢氣旁通閥開啟，可見Pmax值迅速降低，ESR達到50%前，各負荷下Pmax和IMEP均保持相對穩(wěn)定。隨后隨著ESR上升，Pmax呈緩慢下降趨勢，至80%附近時出現(xiàn)1個較明顯的降低過程(圖中趨勢曲線所示)，此階段缸內(nèi)燃燒正經(jīng)歷主燃油預(yù)混合壓縮燃燒引起的第2放熱率峰值消失的過程，IMEP波動劇烈。試驗發(fā)現(xiàn)，負荷越低切換后期IMEP波動越大，整個切換過程中各負荷COVIMEP(相鄰20個循環(huán)統(tǒng)計值)最大值分別為19.8%、13.4%、8.1%，分別出現(xiàn)在切換為燃氣模式閉環(huán)控制之后、附近和之前，表明隨著負荷增大，較高替代率時缸內(nèi)燃燒受主燃油燃燒影響減弱。

圖10 燃料模式切換過程4#缸燃燒參數(shù)變化Fig.10 Variation of the 4th cylinder combustion parameters during the fuel mode switch-over

各組模式切換過程未出現(xiàn)Pmax異常偏高和IMEP異常偏低的情況，表明無爆震和失火現(xiàn)象發(fā)生，制定的模式切換控制策略可有效抑制切換過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動，同時保證發(fā)動機運行安全。

2.3 切換時長對燃料模式切換過程的影響

圖11是發(fā)動機不同負荷不同切換時長模式切換過程的轉(zhuǎn)速變化?？紤]發(fā)動機運行安全，切換時長控制在90～180 s范圍內(nèi)，其切換試驗均未出現(xiàn)爆震現(xiàn)象。由圖可見，發(fā)動機隨切換時間增加其轉(zhuǎn)速波動逐漸降低。隨著切換時長增大其燃氣噴射量上升速率降低，電子調(diào)速器機械響應(yīng)的滯后效應(yīng)亦降低，迅速補償因燃氣量增加產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速上升。發(fā)動機燃氣模式轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制接入時其轉(zhuǎn)速迅速降低至設(shè)定轉(zhuǎn)速附近。切換時長較短時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速偏離設(shè)定轉(zhuǎn)速較大，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制接入時燃氣噴射量迅速調(diào)節(jié)，但仍然無法抵消燃氣噴射量瞬間減小所致的轉(zhuǎn)速快速降低，轉(zhuǎn)速有反向超調(diào)趨勢。切換時長對模式切換影響有限，試驗時φn最大約為5.7%，且未發(fā)生爆震與失火現(xiàn)象。

圖11 不同切換時長燃料模式切換過程的轉(zhuǎn)速變化Fig.11 Variation of engine speed during fuel mode switch-over of different switch duration

基于制定的模式切換控制策略，最終實現(xiàn)發(fā)動機在20%～80%額定負荷范圍內(nèi)120 s時間內(nèi)切換，其中燃氣噴射量在60 s增加到目標值附近，切換過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)可控，缸內(nèi)燃燒無異?，F(xiàn)象發(fā)生。

3 結(jié)論

1)隨燃料替代率升高，發(fā)動機缸內(nèi)放熱規(guī)律從柴油模式的2個峰值變成3個峰值后又逐漸變成2個峰值；燃燒循環(huán)變動明顯增大，負荷越低增大越明顯，且各缸IMEP循環(huán)變動差異增大；燃氣模式下，燃燒循環(huán)變動明顯降低，但仍高于柴油模式。

2)快速切換不適用于船用微引燃雙燃料發(fā)動機燃料模式切換；劇烈轉(zhuǎn)速波動易發(fā)生于燃料模式切換即將完成時刻，此時主燃油占比較小，缸內(nèi)燃燒波動大。

3)采用制定的三段式燃料模式切換控制策略，實機試驗驗證發(fā)動機20%～80%額定功率范圍內(nèi)柴油至燃氣模式平穩(wěn)安全切換，切換時長為120 s，轉(zhuǎn)速波動最大約為5.7%，未發(fā)生爆震和失火現(xiàn)象；較短的切換時長將導致切換過程中轉(zhuǎn)速波動增大。

4)燃料模式切換過程對切換期間發(fā)動機負載變化非常敏感，應(yīng)嚴格標定柴油模式調(diào)速和燃氣模式調(diào)速控制參數(shù)。