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哈尔滨工程大学学报 2021年第4期42卷 541-547页

作者：郑先全杨建国黄禄丰朱树林钱正彦武汉理工大学能源与动力工程学院湖北武汉430063 船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室低速机电控分实验室湖北武汉430063 安庆中船柴油机有限公司安徽安庆246003

针对船用微引燃双燃料发动机燃料模式切换过程燃烧不稳定和转速波动大的问题,本文采用台架试验的方法,揭示了发动机不同燃料替代率时燃烧特征与性能,制定并验证了燃气喷射三段控制的燃料模式切换控制策略,分析了燃烧波动及切换时长等因... 详细信息

针对船用微引燃双燃料发动机燃料模式切换过程燃烧不稳定和转速波动大的问题,本文采用台架试验的方法,揭示了发动机不同燃料替代率时燃烧特征与性能,制定并验证了燃气喷射三段控制的燃料模式切换控制策略,分析了燃烧波动及切换时长等因素对燃料模式切换过程的影响。结果表明:随替代率升高,发动机各缸燃烧循环变动增大和一致性变差,至燃气模式有所减弱,但仍高于柴油模式的循环变动和一致性;较短的切换时长将导致切换过程的转速波动增大;采用燃料模式切换控制策略,可实现双燃料发动机20%~80%额定负荷内120 s时间内燃料模式平稳安全切换,转速波动率最大为5.7%,未发生爆震和失火等非正常现象。

关键词：船用双燃料发动机微引燃燃料模式切换替代率燃烧控制策略循环波动转速控制

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船舶双燃料发动机燃料模式切换的仿真研究

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中国航海 2022年第4期45卷 112-116,128页

作者：鞠佳明姜皓天张均东齐家豪大连海事大学辽宁大连116026

针对船舶双燃料发动机燃料模式切换过程中的燃烧不稳定和转速波动大的问题,分析了燃料模式切换的瞬态过程。根据热力学的工作原理采用平均值法建立了双燃料发动机模型及燃料模式切换控制模型,将仿真结果与发动机台架试验对比,同时对双... 详细信息

针对船舶双燃料发动机燃料模式切换过程中的燃烧不稳定和转速波动大的问题,分析了燃料模式切换的瞬态过程。根据热力学的工作原理采用平均值法建立了双燃料发动机模型及燃料模式切换控制模型,将仿真结果与发动机台架试验对比,同时对双燃料发动机燃料模式切换的瞬态过程进行了仿真,展现了发动机在瞬态运行下的性能和响应。仿真结果表明:双燃料发动机模型有很好的准确性,在瞬态情况下的响应速度满足制造商的要求,能实现燃料模式切换过程的稳定,并展现了发动机及其控制系统的运行情况。

关键词：双燃料发动机燃料模式切换平均值法建模瞬态响应性能

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船用双燃料主机燃料模式切换建模优化

船用双燃料主机燃料模式切换建模优化

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作者：舒泽鹏大连海事大学

学位级别：硕士

由于世界范围内石油资源的紧张与日益严苛的船舶防污染排放法规,船舶动力能源的多样化已经成为船舶发展的一个未来趋势。天然气双燃料发动机以其良好的排放性与优秀的经济性等优点在船舶主机领域得到了越来越多的关注。船用天然气双燃... 详细信息

由于世界范围内石油资源的紧张与日益严苛的船舶防污染排放法规,船舶动力能源的多样化已经成为船舶发展的一个未来趋势。天然气双燃料发动机以其良好的排放性与优秀的经济性等优点在船舶主机领域得到了越来越多的关注。船用天然气双燃料发动机相较于传统柴油发动机的一大优势是可以结合船舶具体运行条件在柴油模式与燃气模式之间自由切换以满足排放性与动力性需求,使船舶运行于最佳状态。但在发动机进行燃料模式切换时由于两种燃料的燃烧特性不同很容易出现转速波动以及运行不稳定的情况。本文针对此现象,以Win GD 7X82DF型船用二冲程双燃料发动机为研究对象,通过建模仿真的研究方法对发动机燃料模式切换过程及其控制系统做出了相关研究。首先,本文于GT-POWER中建立了双燃料发动机的整机模型,并根据发动机制造商提供的台架报告对模型进行了校核,模型主要参数误差均小于5%,满足仿真精度的要求;其次在SIMULINK中建立了发动机控制系统模型,确立了发动机燃料模式切换操作的控制逻辑与控制方法,并与在GT-POWER中建立的发动机模型完成了耦合,联合仿真模型可以按照制定的规则完成燃料模式切换的瞬态操作。然后针对传统PID控制器控制效果不足的问题,运用布谷鸟搜索算法与模糊控制原理对控制器进行优化设计,得到了一种新型控制单元;并利用优化后的控制系统研究了切换时长对发动机燃料模式切换过程发动机稳定性的影响。仿真结果表明,本文建立的双燃料发动机仿真模型具有很好的准确性,对发动机进行燃料模式切换这一瞬态工况时各性能参数的变化有良好的反映。发动机在由燃气模式向柴油模式切换的过程中转速等发动机参数波动较大,对控制系统的要求较高;而由柴油模式向燃气模式切换过程发动机各参数波动较为平稳。基于布谷鸟搜索算法的模糊自适应PID控制器相较于传统的PID控制器对发动机转速控制拥有更好的控制效果,能够有效抑制燃料模式切换过程中的转速波动。适当的延长切换时长能够降低模式切换过程中的转速波动。

关键词：船用双燃料发动机建模仿真燃料模式切换布谷鸟搜索算法模糊控制

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船舶双燃料主机燃料模式切换过程的仿真研究

船舶双燃料主机燃料模式切换过程的仿真研究

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作者：鞠佳明大连海事大学

学位级别：硕士

近年来,在环境污染及能源短缺的推动下,双燃料发动机以其清洁、高效、经济性好的优点而日益受到重视。船舶双燃料主机可以根据工况需求在燃油模式和燃气模式之间进行切换,以使船舶处于最佳的营运状态。由于气缸内混合气浓度、引燃油喷... 详细信息

近年来,在环境污染及能源短缺的推动下,双燃料发动机以其清洁、高效、经济性好的优点而日益受到重视。船舶双燃料主机可以根据工况需求在燃油模式和燃气模式之间进行切换,以使船舶处于最佳的营运状态。由于气缸内混合气浓度、引燃油喷射量等参数在燃气模式下比较敏感,如不能进行适当控制,在燃料模式切换过程中很容易出现气缸爆震失火、主机转速大幅度波动等不利情况。因此,进行双燃料主机燃料模式切换过程仿真为解决该问题提供了一个研究思路。本文首先对W?rtsil? 7X82DF型双燃料主机工作原理进行了介绍;然后采用平均值建模的方法,将双燃料主机划分为气缸、进排气系统、涡轮增压器、中冷器及燃料模式切换控制系统五部分,通过对其各系统之间的关系进行分析,建立了各子系统的仿真模型;本文对双燃料主机燃料模式切换控制系统进行了介绍,并对该控制系统在主机进行燃料模式切换过程中进行的控制操作进行了分析,展现了该控制系统的逻辑流程图;最后将上述搭建的各个子系统模型进行耦合,从而在MATLAB/Simulink仿真环境中搭建了双燃料主机整机系统模型,通过分别在燃油模式和燃气模式下的稳态仿真实验验证了所搭建的双燃料主机整机系统仿真模型具有很好的仿真精度。其次介绍了新型智能群算法-麻雀搜索算法;船舶双燃料主机的燃料供给系统一般采用的是传统的PID控制器,因此当该双燃料主机在进行燃料模式切换的瞬态操作过程中很容易出现转速大幅度波动及爆震问题。针对该问题本文提出了基于麻雀搜索算法的PID控制器参数整定的优化策略,以提升控制器的控制效果,并通过在燃油模式下主机负荷突变的仿真实验,验证了该控制器能很好地调整供油量进而抑制主机的转速波动。本文将基于麻雀搜索算法的PID参数整定控制策略应用于所搭建的双燃料主机整机系统模型,通过实验结果我们可以看到该控制策略抑制了双燃料主机在燃料模式切换过程中的转速波动。文章还进行了从全燃油运行模式切换至燃气运行模式的仿真实验及从燃气运行模式切换至全燃油运行模式的仿真实验,仿真结果展现了燃料供给、主机转速、废气温度等参数的变化趋势图,通过仿真结果我们可以看到双燃料主机在燃料模式切换的瞬态过程中平稳的完成了切换,仿真结果图也有利于我们更好地对燃料模式切换过程中主机性能的瞬态响应情况进行了解。

关键词：双燃料主机平均值模型燃料模式切换

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船用柴油/天然气双燃料发动机模式切换控制策略研究

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中国机械工程 2022年第4期33卷 388-396页

作者：宋恩哲蒋中州姚崇赵国锋哈尔滨工程大学动力与能源工程学院哈尔滨150000

船用柴油/天然气双燃料发动机在实际运行过程中,纯柴油模式与双燃料模式之间的切换极易造成发动机转速波动大、运行不稳定等情况,危害发动机的正常运行,此外,一些紧急情况(如天然气燃料不足、负荷突卸等)下,发动机需要快速平稳地完成不... 详细信息

船用柴油/天然气双燃料发动机在实际运行过程中,纯柴油模式与双燃料模式之间的切换极易造成发动机转速波动大、运行不稳定等情况,危害发动机的正常运行,此外,一些紧急情况(如天然气燃料不足、负荷突卸等)下,发动机需要快速平稳地完成不同模式的切换。针对这一需求,在控制系统硬件不变的前提下,根据双燃料发动机运行需求和机理,设计了基于规则的双燃料发动机模式切换控制策略,其中,柴油转双燃料模式采用倒逼控制方法,双燃料转柴油模式分为主动切换与被动切换以应对不同控制需求。所设计的切换控制策略根据实验标定数据和软件算法,实现了不同燃料模式的相互切换。最后,搭建了基于YC6K双燃料发动机实验平台,验证了不同运行工况下的模式切换控制性能。结果表明:所设计的切换控制策略满足各工况下的切换控制需求,提高了整机运行性能。

关键词：双燃料发动机燃料模式切换倒逼控制主动切换被动切换

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基于扭矩的双燃料发动机控制策略研究

基于扭矩的双燃料发动机控制策略研究

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作者：陈富鑫哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

船用柴油/天然气双燃料发动机在控制污染物排放,降低船舶环境污染方面有巨大的发展前景,但由于天然气燃烧特性和供给系统延迟特性,导致船用双燃料发动机的控制效果不佳,动态响应慢,转速不稳。本文从发动机的控制策略入手,设计了基于扭... 详细信息

船用柴油/天然气双燃料发动机在控制污染物排放,降低船舶环境污染方面有巨大的发展前景,但由于天然气燃烧特性和供给系统延迟特性,导致船用双燃料发动机的控制效果不佳,动态响应慢,转速不稳。本文从发动机的控制策略入手,设计了基于扭矩的发动机控制策略,直接对发动机动力输出进行控制,以实现更为精确和高效的双燃料发动机性能优化和运行控制。首先,搭建了面向控制的柴油/天然气双燃料发动机仿真模型,模型采用模块化建模思想,包括共轨燃油系统模型、气缸系统模型、燃气供给及进排气系统模型,模型的建立综合使用了经验公式与MAP图。其次,为了解决船用发动机运行工况复杂、负载难以测得的问题,开展发动机扭矩需求预估问题研究,分别提出基于滑模理论和基于极限学习机(ELM)的扭矩估计器对发动机负载扭矩进行预测。对比两种扭矩估计器的预测效果,由于滑模扭矩估计器的估计效果依赖于K值的选取,无法保证适用于发动机全部工况,而ELM扭矩估计器可以较为准确的预测负载扭矩,可以用于发动机控制策略的开发。通过对双燃料发动机的控制需求进行分析确定控制策略的框架,分别从基于扭矩的转速闭环、轨压闭环、空燃比开环控制、燃料管理等几方面展开研究。设计了基于Elman神经网络的发动机反馈算法和基于扭矩估计器的发动机前馈算法对发动机转速控制进行优化;设计了PCV/VCV双阀协调控制的轨压闭环算法,对轨压控制效果进行优化;设计了发动机燃料管理策略,缩短切换时间,减小转速波动;并利用发动机仿真模型对控制策略进行离线验证。最后,在半物理仿真平台上对控制策略进行验证,搭建了基于c RIO的快速控制原型系统和基于NI PXIe的实时仿真平台。在半物理仿真环境下发动机的稳态波动符合预期,瞬态工况下转速误差在2.5%以内,双燃料模式下负载响应大大提升;轨压稳态波动有明显改善;燃料切换过程在规定时间内完成且转速波动极小。

关键词：船用双燃料发动机扭矩估计器转速控制燃料模式切换半物理仿真

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船用中速微引燃双燃料发动机控制方法研究

船用中速微引燃双燃料发动机控制方法研究

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作者：郑先全武汉理工大学

学位级别：博士

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... 详细信息

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IMO TierⅢ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IMO TierⅢ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/k W·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。

关键词：船用中速微引燃双燃料发动机控制方法燃气模式起动燃料模式切换多缸平衡控制爆震监测与控制

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