船用中速天然气燃料发动机控制策略研究

发布时间：2020-04-02 09:51

【摘要】：国际海事组织(IMO)日益严格的排放法规实施,促使船舶发动机向着高效低排放方向发展。天然气的低廉价格和缸内燃烧的低排放特点,使得高效低排放的天然气燃料发动机研究已成为船舶发动机的重要研究方向之一。控制系统直接控制天然气燃料发动机燃料喷射和过量空气系数等关键参数,它是保障发动机高效低排放和安全运行的主要部件之一,其中控制策略是其核心技术。开展船用中速天然气燃料发动机控制策略研究,对于我国自主开发船用中速天然气燃料发动机控制系统具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以船用中速天然气燃料发动机为对象,依据控制功能需求搭建了基于快速原型的发动机控制系统;制定了天然气燃料发动机动态过程的控制策略;研究分析了发动机燃气模式的启动控制策略;分析制定了发动机燃气喷射平衡的控制策略。研究取得了以下主要结论:(1)分析了天然气燃料发动机的控制功能和信号特点,搭建了发动机控制系统的总体结构框架,设计了基于快速原型的集喷射与调速控制单元、监测控制单元和安全保护单元为一体的天然气燃料发动机控制系统的硬件系统。(2)分析了天然气燃料发动机瞬态过程的转矩、转速变化和系统响应延迟等特性,提出了变增量的发动机PID动态控制方法,据此制定了发动机瞬态过程、燃料模式切换和爆震及失火等控制策略,在硬件在环仿真平台进行了控制逻辑与控制策略的仿真试验,结果证实了控制策略的合理性和有效性。(3)进行了发动机瞬态过程、燃料模式切换、燃气模式停缸运行、燃气喷射参数优化、引燃参数优化和过量空气系数优化等试验研究,验证了相关控制策略的有效性。结果表明:低负荷发动机燃气模式停缸运行的燃料消耗率和HC排放减少,但瞬时转速的波动和NOx排放则增加;燃气喷射提前角随发动机负荷的升高而增大,优化了发动机不同负荷的燃气喷射提前角;引燃油量和引燃提前角随发动机负荷的增加而增大,优化了循环引燃油量、引燃提前角和过量空气系数。(4)分析了火花点火发动机预燃室与主燃室过量空气系数的相互关系和影响微引燃发动机缸内着火的主要参数,建立了基于AVL Fire的预燃室火花点火和微喷引燃两种不同点火方式的发动机三维模型,计算确定了两种点火方式发动机正常启动的条件,据此制定了不同的启动控制策略,试验结果表明,预燃室火花点火发动机启动控制策略是启动初期关闭预燃室进气;微引燃发动机燃气模式正常启动的过量空气系数为1.5-1.75,微引燃油量大于180 mg/cyc。(5)分析了影响发动机各缸气缸压力差异性的原因,据此指定了基于进气歧管压力波动的各缸燃气喷射量修正方法和基于爆发压力的燃气喷射平衡控制方法,并通过台架试验验证了两种方法控制的有效性。试验结果表明,发动机额定负荷两种平衡控制策略的爆发压力波动率分别为4.7%和4.2%,而无平衡控制时的爆发压力波动率为12.0%,采用平衡控制策略减少了发动机各缸爆发压力不均匀性和波动率。
【图文】：

[1]显示，工业革命以来燃烧化石能源产生的污染物排放快速增长，如图1-1所示。全球温室气体排放增长的主要因素是燃烧化石能源产生的CO2气体且占比大，其中交通运输工具的排放量占比为13.1%，如图1-2所示。在欧美等发达国家，交通运输工具的排放占比甚至超过了25%，其主要排放源是内燃机燃烧产生的CO2、NOx和SOx气体等[2][3]。图 1-1 随时间变化的全球排放曲线船舶作为世界贸易的主要运载工具，是污染物排放的主要贡献体之一。据2009 年国际海事组织（IMO）研究报告，2007 年全球航运业 CO2排放量约为10.46 亿吨，占全球 CO2排放总量的 3.3%。IMO 制定了船舶的排放法规

2气体且占比大，其中交通运输工具的排放量占比为13.1%，如图1-2所示。在欧美等发达国家，交通运输工具的排放占比甚至超过了25%，其主要排放源是内燃机燃烧产生的CO2、NOx和SOx气体等[2][3]。图 1-1 随时间变化的全球排放曲线船舶作为世界贸易的主要运载工具，，是污染物排放的主要贡献体之一。据2009 年国际海事组织（IMO）研究报告，2007 年全球航运业 CO2排放量约为10.46 亿吨，占全球 CO2排放总量的 3.3%。IMO 制定了船舶的排放法规，从 2000年起实施了第一阶段(Tier I)的 NOx 排放限值；第二阶段(Tier II)的 NOx 排放限
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.1

【参考文献】

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本文编号：2611791