船用雙燃料發動機燃油系統仿真

王源慶　任光 張均東

摘要：

為研究雙燃料發動機燃油系統運行特性，以曼恩8L51/60DF雙燃料發動機為研究對象，運用流體力學和插值算法，針對雙燃料系統的三種工作模式（柴油模式、燃氣模式、備用模式），建立柴油系統、燃氣系統、引燃油系統綜合數學模型.基于天然氣的物理、化學性能與液體燃油不同，燃料油系統高壓油泵凸輪模型對系統影響大等特點，對傳統共軌柴油機模型中凸輪的彈性模量進行改進，以適應雙燃料系統模型的建立.最后，利用MATLAB/Simulink對建立的系統模型進行數值計算，實現對柴油系統、燃氣系統、引燃油系統的動態仿真和特性分析.仿真結果表明，系統模擬出的雙燃料發動機燃油系統的運行特性與實際相符.該模型可應用于雙燃料發動機控制系統的算法設計.

關鍵詞：

雙燃料發動機； 燃油系統； 燃氣； 引燃油

中圖分類號： U664.12

0 引 言

為降低航運業運營成本、保護環境，船舶發動機燃油系統不斷被改進，雙燃料發動機以其污染更少、燃料價格較低，成為研究熱點[12].現階段雙燃料發動機主要用于LNG船，其工作原理與柴油機一樣，其燃料既可以是燃油又可以是天然氣，燃油系統由燃料油系統、天然氣共軌系統和引燃油系統組成[3].趙輝[4]對液體燃料共軌柴油機進行了研究；沈蘇海等[5]對電控柴油機燃油共軌系統進行了建模；王書雷等[6]對曼恩雙燃料機器的4種工作模式進行了介紹；劉紅雷等[7]運用AVLBoost對雙燃料系統進行了仿真；湯東等[810]對雙燃料發動機燃燒模型和熱效率進行了研究；魏冰等[11]運用MAP圖對雙燃料發動機性能進行了研究；羅福強等[12]就雙燃料發動機動力性進行了分析；張春潤等[13]基于原機動力性對柴油天然氣雙燃料發動機性能進行了研究；朱永凱等[14]對國內3萬m3 LNG船動力系統進行了介紹.迄今為止還沒有對雙燃料發動機燃氣系統進行數學建模的研究.本文在前人研究的基礎上，以曼恩8L51/60DF雙燃料發動機為研究對象，建立包含燃料油系統、燃氣系統、引燃油系統的雙燃料發動機整體燃油系統模型；針對雙燃料發動機燃料的特性，對傳統燃油系統數學模型進行改進；最后通過仿真試驗，比較試驗數據和臺架數據驗證模型的正確性.

1 雙燃料發動機系統原理

曼恩8L51/60DF雙燃料發動機的工作原理和結構與四沖程柴油機類似，其燃油系統如圖1所示.燃料油系統可以使用重油或輕油，采用傳統機械凸輪控制；天然氣系統燃氣來自LNG船貨倉揮發氣，系統主要包含液貨艙、加熱器、供氣壓縮機、供氣閥件單元、燃氣共軌和燃氣閥等，通過壓縮機使燃氣共軌壓力保持在6.8～7.2 MPa，燃氣閥依靠SaCoSone

圖1 雙燃料發動機燃油系統

控制系統實現燃氣噴射定時和定量的精確控制；引燃油系統使用輕柴油，在燃氣模式時引燃天然氣（燃料油模式時，引燃油也噴射，防止噴油器積碳）.由SaCoSone控制系統控制引燃油泵，使引燃油共軌穩定在90 MPa左右，同時實現引燃油噴油定時和脈寬的精確控制.

2 雙燃料發動機系統數學模型

燃油系統中燃料油系統和引燃油系統是以流體力學和牛頓第二定律為理論依據建立系統的數學模型的[1].燃氣系統由于壓縮機結構復雜，較難建立精確的數學模型，本文采用插值法建立壓縮機模型.對于燃氣共軌，先采用分子動理論和力學理論推導出氣體彈性模量，然后根據流體力學建立氣體連續運動方程.本文在建立燃油系統模型時作如下假設：（1）液體燃油是可壓縮一維非穩態流動的；（2）液體燃油在整個系統中溫度保持不變；（3）各腔室為集中容積，本腔室內同一時刻各處壓力相等；（4）不考慮管路流體阻力；（5）不考慮系統漏泄和各處的彈性形變；（6）天然氣流動看作一維絕熱定常流動.

2.1 燃料油系統和引燃油系統

如圖1所示，燃料油經高壓油泵加壓后，通過高壓油管供入噴油器，凸輪軸控制噴油定時.因為大部分時間本發動機使用燃氣模式，這種布置可以降低燃油系統復雜程度，提高雙燃料發動機可靠性.引燃油系統主要作用是引燃天然氣，消耗量很少，大概為主燃油的1%.因此，雙燃料機器的引燃油系統采用共軌系統，使引燃油系統壓力穩定在一個較高的水平，引燃效果好.

上述兩系統建模方法較為成熟，本文將不再詳述，只對燃料油系統高壓油泵凸輪、引燃油系統引燃油泵進行進一步研究.

2.1.1 燃料油系統高壓油泵凸輪

由于燃料油系統高壓油泵凸輪模型精確性比共軌柴油機凸輪的對系統的影響大，本文對高壓油泵凸輪模型作了進一步研究.目前國內外多采用高次多項式、復合函數和N次諧波等凸輪型線.文獻[4]采用的是高次多項式法，其參數都是凸輪最大行程的函數，誤差較大；諧波法較為復雜，計算量較大；復合函數法簡單，通過實驗驗證精確性較高次多項式法更準確.因此本文采用復合函數法，把凸輪分為上升段和下降段，其中上升段是半波正弦曲線中間加入一段等加速段，下降段是四分之一正弦曲線之間復合一段等加速曲線.

2.1.2 引燃油系統引燃油泵

引燃油泵為柱塞泵，為引燃油共軌供給燃油，由SaCoSone控制系統控制，保持共軌油壓穩定，其泵的工作性能較為重要.

（1）柱塞位移模型

2.2 燃氣系統

燃氣系統的供氣單元主要是一些閥件，對系統影響不大，因此為簡化計算，不考慮其數學模型.本系統主要對燃氣壓縮機、加熱器、燃氣共軌、燃氣閥進行建模.

2.2.1 燃氣壓縮機

燃氣壓縮機一般是多級壓縮，難以建立精確的數學模型.本文借鑒空氣壓縮機的建模方法，采用折合參數法得到壓縮機特性線，并繪制等速線和等熵效率線.通過插值算法得到相關參數的值.

查特性曲線時，先根據式（1）把壓縮機轉速轉換為標定工況的折合轉速，再根據壓比查得折合流量和效率，然后根據式（2）計算實際流量.根據熱力學原理，壓縮機工作過程可看成絕熱壓縮流動過程，因此可根據一維等熵絕熱壓縮過程計算壓縮機出口溫度，通過式（3）可得出口溫度.

式中：ne為折合轉速；n為壓縮機轉速；T0為設定的標準大氣壓溫度；T為大氣壓溫度；me為折合流量；m為壓縮機空氣質量流量；p0為設定的標準大氣壓力；p為大氣壓力；ηc為壓縮機效率；πk為增壓比；Tin和Tout分別為壓縮機進、出口溫度；u=k-1k，k為空氣絕熱指數.

2.2.2 加熱器

在燃氣系統中，壓縮機前后都有加熱器，使燃氣溫度提高到符合要求的值.為簡化模型只設了一個加熱器.加熱器可以精確控制出口溫度，但是有節流作用，因此可以作為等壓升溫環節來簡化處理.

2.2.3 緩沖器

針對緩沖器，其流入和流出燃氣滿足如下連續性方程：

式中：Vb為緩沖器容積；pb為緩沖器壓力；En為燃氣彈性模量；Qb-in為進緩沖器天然氣量；Qr-in為天然氣共軌量；ζ為緩沖器安全閥開關信號，開時為1，關時為0；μsf和Asf分別為安全閥流量系數和流通面積；ρn為天然氣密度.

上式中，En隨天然氣壓力變化而變化，且可壓縮性比液體更大，因此天然氣彈性模量需重新計算.由于天然氣在管內流動時，速度和壓力傳遞比液體慢，可以看成是等溫流動過程.根據范德瓦爾斯方程

2.2.4 燃氣閥

燃氣從進氣管進入氣缸，因此進入壓力是燃氣共軌壓力，背壓是空氣進氣壓力.因此，燃氣閥流量模型為

3 仿真實驗邊界參數設置

仿真時MATLAB /Simulink采用ode4算法，定步長0.000 01.雙燃料發動機燃料油系統采用凸輪控制，凸輪工作半包角為126°，凸輪轉速為257 r/min，噴油器啟發壓力為37.5 MPa；引燃油系統油泵斜盤傾角為16.5°，油泵油缸與泵軸的夾角為10.5°，轉速為1 950 r/min，引燃油共軌體積為0.2 m3.燃氣系統壓縮機進機溫度為-140 ℃，壓力

0.106 MPa，緩沖器工作壓力為1 MPa，燃氣共軌和緩沖器體積分別為1 m3和3 m3.雙燃料發動機負荷率是99.9%，額定轉速為514 r/min，在0.7 s內，會有3個工作循環.

4 仿真實驗

文獻[4]采用高次多項式仿真油泵凸輪，其對象是三作用凸輪，其工作半包角為64°.當用此法仿真機械式燃油系統油泵凸輪時，兩次工作間隔期會出現異常抖動（見圖2），這是因為工作半包角變為126°，而且文獻[4]中參數都為最大升程的函數，誤差較大.而本文采用的復合函數法模擬效果較好.

從圖3可以看出，柱塞升程曲線柔和、穩定，工作效率高.油泵柱塞上行初期，柱塞腔壓力上升較快.柱塞上行末期，由于噴油器持續噴油，管內油量下降，柱塞腔油壓逐漸減小.隨后由于回油口的打開，柱塞腔壓力迅速降到回油壓力，這與實際情況相符.

從圖4可以看出：噴油是跟隨油泵動作的，且噴油時間略晚于供油時間.由于噴油器與高壓油管連通，噴油前后壓力都與高壓油管壓力相同，為30 MPa；只有高壓油管壓力大于啟發壓力37.5 MPa時，噴油器針閥才開始慢慢動作.而噴油結束時，針閥升程在彈簧的作用下快速回零.這與實際情況相符.

5 結 論

以曼恩雙燃料發動機為研究對象，建立燃油系統仿真模型.由于天然氣較之常規液壓油物理、化學性質大為不同，燃料油系統高壓油泵凸輪數學模型精確性較之瓦錫蘭共軌柴油機凸輪的對系統影響更大，本文在以下幾個方面做了改進：燃料油系統高壓油泵凸輪采用復合函數法，氣體彈性模量采用范德瓦爾斯方程.仿真結果表明，新模型能更好地反映燃料油系統、引燃油系統、天然氣共軌系統工作過程，能更準確地模擬燃料油凸輪升程、引燃油共軌軌壓、燃氣壓縮機和燃氣共軌等參數的變化.與臺架試驗數據對比驗證了模型較準確.該模型可以作為通用模型，為雙燃料發動機控制系統算法的研究提供了一個較好的仿真平臺.

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（編輯 賈裙平）