船用柴油/天然氣雙燃料發動機模式切換控制策略研究

2022-03-09 13:47:24宋恩哲蔣中州趙國鋒

中國機械工程 2022年4期

宋恩哲蔣中州姚崇趙國鋒

哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱，150000

0 引言

目前世界面臨能源短缺、環境愈加惡劣等問題，排放法規日趨嚴格，使得船舶行業對發動機的排放和經濟性等有了更高的要求[1-2]。天然氣以其清潔環保、儲存豐富、經濟實惠的特點廣泛用于船用發動機[3-6]。船用柴油/天然氣雙燃料發動機是在柴油機基礎上增加了天然氣供給系統，為節約改造成本，可從進氣道引入天然氣，在混合器中與空氣混合進入氣缸[7]。柴油/天然氣發動機的啟動方式是純柴油啟動，在雙燃料發動機運行過程中，低負荷工況下發動機每循環所需燃氣量較少，燃氣響應較慢，若仍使用燃氣會導致各缸的不均勻性加劇，未燃碳氫排放惡化，甚至可能導致個別氣缸失火[8]。相對而言，柴油是以缸內直噴的方式進入氣缸的，響應較快，因此，柴油/天然氣發動機在低負荷時仍使用純柴油作為發動機燃料，在中、高負荷噴入少量柴油來引燃天然氣。在雙燃料發動機電控系統開發中，至關重要的環節就是實現純柴油模式與雙燃料模式之間的相互切換。切換過程要求實現平穩過渡，主要是抑制切換過程中的轉速波動[9]。

目前國內外關于船用雙燃料發動機的研究已經比較深入[10-12]，但鮮有關于燃料模式切換控制的報道，或僅提及關于燃油至燃氣模式切換，而船用柴油/天然氣發動機在實際運行過程中，當面臨環境惡劣(如大風大浪造成螺旋槳浮出海面)、天然氣氣源不足等突發情況時，需立即由雙燃料模式自動切換回柴油模式，此過程極易造成轉速大幅度波動[13]甚至停機，給船用發動機運行的安全性帶來挑戰。

本文針對船用柴油-天然氣發動機燃料模式切換優化控制問題，研究了在轉速閉環控制器基礎上的燃料模式切換策略。首先，定義了燃料模式和切換條件，基于比例積分微分(proportion integration differentiation，PID)控制算法和燃燒熱值設計了兩種燃料分配方法。然后，根據發動機運行模式特性設計了燃料模式切換過程，并考慮燃氣噴射延遲和進氣延遲，優化了燃料切換策略。同時，基于發動機運行需求，設計了主動切換和被動切換兩種燃料模式切換路徑。最后，通過YC6K雙燃料發動機臺架實驗來驗證所設計的燃料模式切換策略的有效性和實用性。

1 燃料模式的定義與管理

根據發動機轉速和油量，采用狀態字釋放選擇方式確定發動機燃料模式。如圖1所示，定義了5種燃料模式：柴油模式、柴油轉雙燃料模式、雙燃料模式、雙燃料轉柴油主動切換模式以及雙燃料轉柴油被動切換模式。其中，柴油模式下發動機運行燃料僅有柴油，通過缸內直噴方式噴入氣缸做功；柴油轉雙燃料模式是指純柴油燃料模式向柴油/天然氣雙燃料模式的過渡模式；針對發動機運行的不同需求，雙燃料轉柴油過程設計為主動切換和被動切換兩種模式。主動切換為常規切換模式，其觸發條件為可預見式條件，如手動開關、燃氣條件不足等。該模式下系統遵循一定規律切換至柴油模式，其要求為平穩柔和切換。被動切換為特殊切換模式，其觸發條件為不可預見式條件，其目的是為了保障發動機運行安全。當發動機處于特殊瞬態工況(如突卸負載導致扭矩條件不足)時，運行模式將自動切換至柴油模式，其要求為快速切換。

圖1 燃料模式定義的切換管理Fig.1 Switch management defined by fuel mode

各模式轉換觸發條件如下：a.發動機運行條件使能、燃氣使能以及燃氣硬件條件使能；b.發動機運行條件失效、燃氣條件失效或燃氣硬件條件失效；c.柴油轉雙燃料模式完成標志位置位；d.天然氣壓力異常或者燃氣硬件失效；e.發動機工況條件失效(扭矩條件不滿足)；f.雙燃料轉柴油被動切換完成；g.雙燃料轉柴油主動切換完成。

圖2為燃料模式管理框圖，燃氣管理下的燃氣硬件使能條件與燃氣安保使能條件均由上位機通過控制器局域網絡(controller area network，CAN)傳輸給發動機控制系統。如果燃氣硬件使能條件與燃氣安保使能條件均有效，則判斷當前總燃油量是否小于最小允許燃油噴射量，若是，則進入柴油模式；否則進一步判斷燃料模式轉換完成標志位是否置位，若置位，則燃料模式為雙燃料模式，否則為柴油轉雙燃料模式。如果燃氣硬件使能條件與燃氣安保使能條件之一不滿足，則判斷當前是否為雙燃料模式，若是，則為雙燃料轉柴油模式，否則為柴油模式。

圖2 燃料模式管理框圖Fig.2 Fuel mode management block diagram

本文研究對象為船用發動機，整機控制系統以轉速閉環控制為核心，所設計的燃料模式切換控制策略也是以轉速閉環為前提的。根據牛頓第二定律，雙燃料發動機轉速動態方程為[14]

(1)

其中，ωe為曲軸角速度；J為系統轉動慣量；Tf和TL分別為摩擦扭矩和負載扭矩；Te為燃燒輸出扭矩，根據兩種燃料燃燒放熱計算得到：

(2)

其中，η為燃燒效率，可通過實驗測量得到；Ldies為柴油低位熱值；mfcyc為柴油循環噴射量；LNG為天然氣低位熱值；mgcyc為天然氣循環噴射量。MPID為實際總燃燒量輸出值，由目標轉速和實際轉速的差值以及差值的變化率經過PID計算得到，轉速閉環控制整體流程如圖3所示。

圖3 轉速閉環控制整體流程Fig.3 The overall process of speed closed-loop control

由式(2)可得，轉速閉環控制器輸出為兩種燃料燃燒總熱量。為了確保發動機運行和模式切換平穩，本文設計了基于燃燒當量的燃料分配策略。當發動機處于柴油模式時，天然氣噴射量為0，僅噴射柴油，其噴射量mfcyc=MPID/Ldies。當發動機處于雙燃料模式時，柴油噴射量為引燃柴油量m′，通過預先設定的參數圖譜(MAP圖)確定。該模式下天然氣噴射量可通過燃料燃燒能量關系計算：

mgcyc=(MPID-Ldiesm′)/LNG

綜上，燃料分配策略如圖4所示，兩種模式下的燃料分配計算公式如下：

(3)

圖4 燃料分配策略Fig.4 Fuel allocation strategy

船用雙燃料發動機運行控制難點是實現柴油模式和雙燃料模式的快速、平穩、安全的切換。由于天然氣噴射為進氣管噴射，存在燃料延遲，導致切換過程轉速波動大、時間長以及超調量大等問題。針對這一問題，本文設計了一種基于規則的燃料模式切換策略，引入燃氣延遲補償系數，提升發動機模式切換過程中的運行性能。后文對不同模式之間的切換策略進行分析。

1.1 柴油轉雙燃料模式

柴油轉雙燃料模式是發動機由柴油模式切換至雙燃料模式的一種過渡模式。由于柴油是缸內直噴方式，天然氣的供氣方式是進氣總管單點噴射，導致天然氣供給滯后。如果柴油模式直接切換雙燃料模式，發動機瞬時轉速將較大幅度下降后又大幅度超調，經過多次振蕩后逐步趨于穩定，轉速波動不利于發動機控制[15-16]。因此，燃油至燃氣模式的切換采用倒逼控制，如圖5所示，在柴油轉雙燃料模式的轉換過程中，燃氣噴射量按步長增加，使得發動機轉速升高，此時由于發動機轉速閉環，導致PID計算油量逐漸減小，當PID計算油量等于特定引燃油量時，柴油轉雙燃料模式標志位置位，燃料模式轉換完成。

圖5 柴油轉雙燃料模式示意圖Fig.5 Schematic diagram of diesel to dual fuel mode

柴油轉雙燃料模式切換控制框圖見圖6，轉換過程中燃料量的計算公式分別為

q0=q0MAP(naim，Ttorq)

(4)

(5)

(6)

其中，naim為目標轉速；Ttorq為燃料扭矩；q0為基礎引燃油量，根據目標轉速和燃料扭矩查MAP確定，該MAP由實驗標定確定；qPID_dies為PID計算扭矩的轉化油量；qdies為最終柴油噴射量；Δg為增加步長；ηind(x)為x時刻指示熱效率；qgas(x)為x時刻燃氣噴射量，當qPID_dies≤q0時，qgas(x)根據x時刻的燃料扭矩和指示熱效率查MAP確定，該MAP由實驗標定確定。

圖6 柴油轉雙燃料模式切換控制框圖Fig.6 Diesel to dual fuel mode switch control block diagram

1.2 雙燃料模式轉柴油模式

雙燃料模式切換至柴油模式可在任意負載下完成，根據雙燃料轉柴油觸發條件的不同可分為主動切換和被動切換。

對于主動切換，當滿足以下條件均會觸發主動切換：燃氣安保條件未使能、燃氣壓力低于450 kPa以及柴油模式開關使能。基于本文所設計的控制策略，控制器依據發動機轉速、扭矩和進氣總管體積求出最長延遲時間，通過延遲時間修正系數計算出最終的延遲時間。為降低發動機的轉速波動，在切換最初幾個循環內依然使用引燃油量來消耗掉進氣管內的殘余天然氣，延遲之后需求扭矩僅由柴油提供，計算公式如下：

(7)

(8)

式中，v為切換時刻；qgas為最終燃氣噴射量，當t

對于被動切換，是由發動機負荷突卸導致無法正常在雙燃料模式下運行，進而使燃氣量減為0，發動機由雙燃料模式切換至燃油模式。為了保證發動機由雙燃料模式切換至燃油模式時的穩定運行，需要對主動切換和被動切換實施不同的控制策略，具體切換控制策略如圖7所示。

圖7 雙燃料模式轉柴油模式切換控制策略Fig.7 Control strategy for switching from dual fuel mode to diesel mode

2 燃氣使能條件管理

燃氣使能條件需要綜合判斷燃氣模式開關狀態、發動機轉速條件、燃氣壓力條件。當滿足上述條件時燃氣噴射條件使能，發動機運行模式由柴油模式變為柴油轉雙燃料模式。燃氣使能條件框圖見圖8。

2.1 雙燃料模式轉柴油模式燃氣壓力條件

船用發動機操作模式一般分為機旁模式和遠程模式，燃氣開關狀態綜合處理函數需要根據發動機操作模式選擇，避免在操作模式變化過程中由機旁燃氣開關狀態和遠程燃氣開關狀態不一致導致的燃料模式誤切換。燃氣模式開關狀態為了防止開機之前為使能狀態，需要根據歷史狀態綜合判斷。燃氣開關狀態處理函數程序框圖見圖9。

圖8 燃氣使能條件框圖Fig.8 Block diagram of gas enabling conditions

圖9 燃氣開關狀態處理函數程序框圖Fig.9 The block diagram of the gas switch state processing function

2.2 燃氣壓力條件

當天然氣氣源不足或天然氣供給管路出現泄漏造成燃氣壓力過低時，會造成相同燃氣噴射量時燃氣噴射閥開啟時間過長，影響燃氣噴射閥的正常工作，嚴重時甚至會損壞燃氣噴射閥。

燃氣壓力條件采用遲滯控制，當天然氣氣軌壓力大于450 kPa時將燃氣壓力條件置位，小于400 kPa時將燃氣壓力條件清零，燃氣壓力條件清零要滯后燃氣壓力條件置位50 kPa，在燃氣壓力條件變化之間設置緩沖區間，防止因較小燃氣壓力波動導致頻繁進入或退出雙燃料模式。

3 燃料模式切換控制實驗

本文使用玉柴公司生產的 YC6K 高壓共軌船用微量柴油引燃天然氣發動機(micro pilot induced ignition dual fuel engine，MPII-DFE)進行臺架實驗，高壓共軌燃油噴射系統是 MPII-DFE 的核心。高壓共軌燃油噴射系統負責雙燃料模式下的引燃柴油噴射，由4個安裝在氣軌上的HANA2200燃氣噴射閥來控制燃氣噴射量。發動機主要技術參數見表1，YC6K雙燃料發動機實驗臺架的總體構成如圖10所示。

3.1 柴油模式至雙燃料模式

燃料模式管理中確認燃氣條件使能后，發動機燃料模式進入柴油轉雙燃料模式，發動機燃用燃料發生變化。在此過程中燃氣噴射量按步長0.1 mg增加，由于發動機轉速閉環，所需求的當量燃料固定不變，勢必造成PID計算油量減小，實現了切入雙燃料過程中增加燃氣減少燃油的目的。

表1 發動機主要技術參數Tab.1 Main specifications of diesel engine

圖10 YC6K雙燃料發動機實驗臺架Fig.10 YC6K dual-fuel engine test bench

實驗設計了800 r/min-400 N·m時燃油轉燃氣過程，實驗結果如圖11所示，轉速波動率為2.8%，切換時間為42 s。

圖11 800 r/min-400 N·m柴油轉雙燃料倒逼模式Fig.11 800 r/min-400 N·m diesel to dual-fuel reverse mode

3.2 雙燃料轉柴油模式

發動機雙燃料模式至純柴油模式的切換可在任意負荷下完成，發動機由雙燃料模式向柴油模式轉換應干脆利落，縮短切換時間。若按照減少燃氣噴射量倒逼燃油噴射量增大的模式，這種模式切換時間冗長，在發動機出現異常情況時，切換未完成就會導致發動機停機。

實驗設計了1000 r/min-694 N·m工況下雙燃料轉柴油模式倒逼切換。如圖12所示，由于燃氣供給系統的滯后性，倒逼模式造成轉速大幅度波動，轉速波動率為7.5%，嚴重影響發動機運行的平穩性，切換時間為52 s，遠遠不能滿足控制系統對緊急狀況的響應，并且切換時間會隨負荷的增大而延長。

圖12 1 000 r/min-694 N·m雙燃料轉柴油倒逼模式Fig.12 1 000 r/min-694 N·m dual fuel to diesel reverse mode

為了解決發動機在雙燃料模式切換至柴油模式過程中轉速的不穩定性以及縮短燃料模式切換的時間，本文將切換過程分為主動切換與被動切換。

主動切換策略：發動機在雙燃料模式下運行，當駕駛人意圖改變，或是燃氣安保條件不使能的情況下，發動機由雙燃料模式向柴油模式切換，此為主動切換。在主動切換過程中，如果在停止燃氣噴射的同時增加柴油噴射量，由于燃氣供給系統的滯后性，停留在進氣總管的天然氣進入氣缸后被更多的柴油引燃，發動機瞬時轉速將大幅度超調后又大幅度下降，經過多次振蕩后趨于平穩，轉速波動不利于發動機控制。本文的控制策略是采用延遲時間在切換的最初幾個循環內仍使用引燃油量消耗掉進氣總管中的天然氣以減少轉速波動，延遲時間是轉速與天然氣進氣流量的函數。實驗設計了945 r/min-644 N·m加100 ms延遲時間與無延遲時間對比，1200 r/min-644 N·m無延遲時間、100 ms延遲時間、200 ms延遲時間對比。實驗結果如圖13、圖14所示。在雙燃料轉柴油模式主動切換過程中，采用延遲時間后轉速945 r/min與1200 r/min的變化趨勢相同，故僅分析1200 r/min轉速波動原因，對于945 r/min不再贅述。

在無延遲時間實驗中，停止燃氣噴射的同時增大柴油噴射量，由于進氣總管內仍存在部分天然氣，進入氣缸被柴油引燃后導致轉速超調后下降，最后趨于穩定，轉速波動率為4.5%，切換時間為1.7 s。在100 ms延遲時間實驗中，停止燃氣噴射后延遲100 ms增大柴油噴射量，該時間內繼續以引燃柴油噴射量消耗掉進氣總管的天然氣，然后增加柴油噴射量以維持轉速的穩定，轉速波動率為2.67%，切換時間為2.9 s。在200 ms延遲時間實驗中，由于延遲時間過長，導致進氣總管內天然氣已經被消耗殆盡而柴油噴射量等于引燃油量，不足以維持發動機繼續在該工況下運行造成的發動機瞬時轉速下降，增加柴油噴射量后發動機恢復目標轉速下工作，轉速波動率為4.8%，切換時間為2.5 s。

(a)無延遲時間

(b)100 ms延遲時間圖13 945 r/min-644 N·m雙燃料轉柴油模式主動切換Fig.13 945 r/min-644 N·m dual fuel to diesel mode active switch

(a)無延遲時間

(b)100 ms延遲時間

被動切換策略：發動機在雙燃料模式下發生負荷突卸，如因大風大浪造成螺旋槳浮出海面，發動機瞬時轉速超調，PID計算油量下降，導致燃氣噴射量減為0，此時發動機不適合在雙燃料模式下繼續工作，發動機由雙燃料模式自動切回柴油模式，此為被動切換。被動切換模式下為保持發動機工作的穩定性，需要進行控制量連續性計算。實驗設計了845 r/min-400 N·m、900 r/min-644 N·m、1200 r/min-644 N·m雙燃料轉柴油模式被動切換，如圖15所示，實驗結果表明，845 r/min-400 N·m時轉速波動率為4.97%，穩定時間為4.7 s，900 r/min-644 N·m時轉速波動率為6.4%，穩定時間為2.9 s，1200 r/min-644 N·m 時轉速波動率為4.1%，穩定時間為6.1 s。

(a)845 r/min-400 N·m突卸負荷

(b)900 r/min-644 N·m突卸負荷

4 結論

本文根據船用雙燃料發動機的特點，針對現有燃料模式切換方法的不足，開發控制策略并進行燃料模式切換控制軟件的設計，在發動機上進行了驗證，達到了預期目的，證實了控制策略與邏輯的正確性。

柴油至雙燃料模式采用倒逼控制能實現發動機轉速的平穩運行，雙燃料至柴油模式分為主動控制與被動控制。主動控制可以通過延遲增加燃油噴射量來實現發動機燃料模式快速、平穩的切換，被動控制可實現發動機轉速波動的快速抑制。由實驗比較可知在雙燃料轉柴油模式下，采用主動與被動切換方法比采用倒逼控制轉速波動率更小，穩定時間大幅縮短，提高了發動機安全穩定運行的能力。