CN109915266A - 一种船用双燃料发动机燃烧系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船用双燃料发动机燃烧系统和方法，该系统包括：设置在气缸组件上的喷油器、缸内工质温度传感器和曲轴位置及转速传感器；电控共轨柴油供给装置；预混天然气供给装置；BOG‑EGR换热子系统及电控单元ECU；所述喷油器、缸内工质温度传感器、曲轴位置及转速传感器、电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置及BOG‑EGR换热子系统分别与所述电控单元ECU相连接。本发明中电控单元ECU可以根据缸内工质的温度及曲轴转角的位置信息，调节喷油时刻至能效最优点，可以实现精确的缸内着火控制进而保持良好的燃烧稳定性以及发动机动力性；使用换热器取代原始船用发动机中冷器，能在不增加经济成本的前提下实现能量的高效利用。
Description
技术领域
本发明涉及船用双燃料发动机的技术领域，具体涉及基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统和方法。
背景技术
随着国际排放法规的日益严格及能源的过度消耗，利用天然气等气体燃料作为内燃机的主要能源成为社会大趋势。与柴油机相比，船用双燃料发动机具有接近于零的碳烟排放，NOX也大幅度降低，在合理的喷油策略下，也可以不产生任何的功率损失。
低温燃烧模式成为近年来研究的社会热点，化学反应活性控制压燃是船用双燃料发动机的主要低温燃烧模式，该模式得益于对引燃柴油喷射时刻的精准控制。国内船用微喷引燃型船用双燃料发动机正处于工程化开发阶段，其控制系统相对于国外来说仍有很长的路要做，但国外的电控喷油技术也只能根据发动机的曲轴转速实现喷油量的自动调节，喷油时刻仍需人们按照工程经验进行外部修正。
液化天然气(liquefied Natural Gas，LNG)液舱的闪蒸汽(Boil Off Gas，BOG)一直都是人们头疼的问题。它的存在和排放不仅给企业产生较大的经济损失，而且BOG的排放带来的温室效应要比CO2大得多，BOG形成之后还会增加存储容器的压力。当压力达到一定时还会产生爆炸险情。
发明内容
本发明的目的是提供基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统和方法，填补闭环式电控喷油技术的空白，通过提出一种能根据船用双燃料发动机缸内工质状态及曲轴位置信息，自动调节喷油正时(SOI)，根据曲轴转速自动调节喷油量的闭环电控喷油策略；针对BOG冷能浪费及安全问题，本发明提出了一种BOG-EGR换热子系统，利用BOG气体冷却排气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)气体和空气的混合气。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其包括：设置在船用双燃料发动机的气缸组件上的喷油器、用于检测船用双燃料发动机的气缸组件内燃烧室工质温度的缸内工质温度传感器和曲轴位置及转速传感器；与喷油器连接的电控共轨柴油供给装置；预混天然气供给装置；BOG-EGR换热子系统及电控单元ECU；所述喷油器、缸内工质温度传感器、曲轴位置及转速传感器、电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置及BOG-EGR换热子系统分别与所述电控单元ECU相连接；所述电控单元ECU控制电控共轨柴油供给装置向船用双燃料发动机供应一定压力温度的引燃柴油，并控制预混天然气供给装置向船用双燃料发动机供应一定天然气/空气比率下的预混天然气，并控制BOG-EGR换热子系统向船用双燃料发动机供应通过BOG气体冷却后的EGR气体和空气的混合气，并根据所述缸内工质温度传感器和曲轴位置及转速传感器的检测信号控制引燃柴油的喷射时刻。
上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其中，所述电控共轨柴油供给装置包括依次连接的柴油储罐、带压力调节装置的柴油泵及柴油轨；所述柴油轨与所述喷油器连接，并设有柴油轨压传感器；所述带压力调节装置的柴油泵和柴油轨压传感器分别与所述电控单元ECU相连接。
上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其中，所述柴油储罐和所述带压力调节装置的柴油泵之间依次设有柴油滤清器和柴油油耗仪。
上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其中，所述预混天然气供给装置包括依次连接的压缩天然气(Compressed Natural Gas，CNG)储罐、天然气减压稳压装置、天然气轨及天然气喷射模块；所述天然气喷射模块与设置在船用双燃料发动机进气管道上的电子节气门连接，并与所述电控单元ECU相连接；所述天然气轨上设有与所述电控单元ECU相连接的天然气轨压传感器。
上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其中，所述CNG储罐上设有与所述电控单元ECU相连接的压力传感器；所述天然气减压稳压装置和天然气轨之间设有天然气流量计。
上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其中，所述BOG-EGR换热子系统包括：LNG储罐、与LNG储罐连接的BOG储罐、换热器、涡轮增压装置及废气旁通阀；所述换热器的冷端进口与BOG储罐连接，冷端出口与预混天然气供给装置连接，热端进口与涡轮增压装置的空气出口连接，热端出口与船用双燃料发动机进气管道上的电子节气门连接；涡轮增压装置的废气进口与船用双燃料发动机排气管道连接；所述旁通阀设置在船用双燃料发动机排气管道和所述换热器的热端进口之间，并与所述电控单元ECU相连接。
上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其中，所述LNG储罐上部设有气体分析仪；所述LNG储罐和BOG储罐之间设有BOG释放阀；所述BOG储罐和换热器之间设有BOG流量控制阀；所述气体分析仪、BOG释放阀和BOG流量控制阀分别与所述电控单元ECU相连接。
上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其中，所述船用双燃料发动机进气管道上设有与所述电控单元ECU相连接的进气温度压力传感器。
上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其中，所述船用双燃料发动机排气管道上设有与所述电控单元ECU相连接的排气氧传感器。
本发明还提供了一种基于上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统的喷油正时自动寻优控制方法，其包括以下步骤：
步骤1：在船用双燃料发动机运行前，电控单元ECU根据发动机所要运行的工况进行系统初始化；
步骤2.1：设定该工况下的喷油器动作温度；
步骤2.2：设定天然气供给参数、燃油供油压力及电子节气门开度；
步骤2.3：设定废气旁通阀开度；
步骤2.4：船用双燃料发动机启动后，电控单元ECU通过曲轴位置及转速传感器获取运行点的工况信息，进行喷油量修正；
步骤2.5：当气缸组件内燃烧室工质温度达到喷油器动作温度时，电控单元ECU控制喷油器做出响应动作，喷射一定质量的高压燃油；
步骤2.6：对船用双燃料发动机的各项指标进行性能评价，若不满足要求时，则喷油器动作温度增加ΔT，并执行步骤2.5；若满足要求，则执行步骤2.7；
步骤2.7：设定该喷油器动作温度为该工况下的最佳喷油正时；
步骤2.8：记录该工况信息并进行存储。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种适用于LNG船的基于缸内工质温度控制喷油的LNG船用双燃料发动机燃烧系统，采用双共轨结构的燃料供给系统，大幅度提高了船用双燃料发动机的运行稳定性。
本发明所提供的船用双燃料发动机燃烧系统可以根据发动机的运行工况及燃烧室内的工质状态信息，调节喷油时刻至能效最优点，实现自动寻优。对于缸内的着火控制及燃烧稳定性有很好的调控作用。
本发明同时包含了一套BOG-EGR换热子系统，该子系统可以自动监控LNG舱室内的甲烷气体含量，并设有BOG气体储存罐，储存起来的BOG气体用来冷却废气和新鲜空气的混合气，并能根据EGR的流量自动调节BOG流量，可以大幅度提高换热效率。同时受热后的BOG气体通过管道输送到CNG储罐以共天然气轨使用，实现了BOG气体的有效再利用。
附图说明
图1为基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统的结构示意图；
图2为基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统的喷油正时自动寻优控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统，其包括：设置在船用双燃料发动机的气缸组件127上的电磁阀式喷油器124、用于检测船用双燃料发动机的气缸组件127内燃烧室工质温度的缸内工质温度传感器125和曲轴位置及转速传感器126；与电磁阀式喷油器124连接的电控共轨柴油供给装置；预混天然气供给装置；BOG-EGR换热子系统及电控单元ECU129；所述电磁阀式喷油器124、缸内工质温度传感器125、曲轴位置及转速传感器126、电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置及BOG-EGR换热子系统分别与所述电控单元ECU129相连接；所述电控单元ECU129控制电控共轨柴油供给装置向船用双燃料发动机供应一定压力温度的引燃柴油，并控制预混天然气供给装置向船用双燃料发动机供应一定天然气/空气比率下的预混天然气，并控制BOG-EGR换热子系统向船用双燃料发动机供应通过BOG气体冷却后的EGR气体和空气的混合气，并根据所述缸内工质温度传感器125和曲轴位置及转速传感器126的检测信号控制引燃柴油的喷射时刻。
为了实现电控喷油的闭环控制通过在发动机汽缸盖上安装一缸内工质温度传感器125，与曲轴位置及转速传感器126协同作用，两者采用“与”逻辑结构，一同为电控单元ECU129提供发动机曲轴位置及转速信息及燃烧室内的工质状态信息，当活塞处于压缩行程，缸内工质温度达到某一设定温度时，电控单元ECU129输出动作信号，控制电磁阀式喷油器124做出动作响应。
本发明缸内工质温度传感器125通过缸盖孔内置在燃烧室中，以检测船用双燃料发动机的气缸组件127内温度。缸内工质温度传感器125用于监视缸内工质的温度信息，以判别是否达到柴油自燃点有助于燃油雾化。所涉及的基于温度闭环控制喷油时刻，可以直接获取缸内工质物理化学状态，并实行精准的喷油控制(缸内工质温度-喷油)。
所述电控共轨柴油供给装置包括依次连接的柴油(DIESEL)储罐123、带压力调节装置的柴油泵119及柴油轨118；所述柴油轨118与所述电磁阀式喷油器124连接，并设有柴油轨压传感器117；所述带压力调节装置的柴油泵119和柴油轨压传感器117分别与所述电控单元ECU129相连接。所述柴油储罐123和所述带压力调节装置的柴油泵119之间依次设有柴油滤清器122和柴油油耗仪121。
所述预混天然气供给装置包括依次连接的压缩天然气(Compressed NaturalGas，CNG)储罐106、天然气减压稳压装置108、天然气轨111及天然气喷射模块112；所述天然气喷射模块112与设置在船用双燃料发动机进气管道上的电子节气门113连接，并与所述电控单元ECU129相连接；电子节气门113用来供给船用双燃料发动机一定天然气/空气比率下的预混天然气。所述天然气轨111上设有与所述电控单元ECU129相连接的天然气轨压传感器110。所述CNG储罐106上设有与所述电控单元ECU129相连接的压力传感器105；所述天然气减压稳压装置108和天然气轨111之间设有天然气流量计109。
所述BOG-EGR换热子系统致力于解决BOG的冷能利用及其回收再利用，该BOG-EGR换热子系统包括：LNG储罐101、与LNG储罐101连接的BOG储罐104、换热器114、涡轮增压装置115及废气旁通阀116；所述换热器114的冷端进口与BOG储罐104连接，冷端出口与预混天然气供给装置的CNG储罐106连接，热端进口与涡轮增压装置115的空气出口连接，热端出口与船用双燃料发动机进气管道上的电子节气门113连接；涡轮增压装置115的废气进口与船用双燃料发动机排气管道连接；所述旁通阀设置在船用双燃料发动机排气管道和所述换热器114的热端进口之间，并与所述电控单元ECU129相连接。BOG-EGR换热子系统中的换热器114是为了取代原始船舶发动机中冷器，用来降低进气温度(控制进气温度)。
所述LNG储罐101和BOG储罐104之间设有BOG释放阀103；所述LNG储罐101上部设有气体分析仪102，当LNG储罐101上部甲烷气体含量超过一定限度时，电控单元ECU129发出动作指令，打开BOG释放阀103，BOG通过管道流入BOG储罐104；所述BOG储罐104和换热器114之间设有BOG流量控制阀107；所述气体分析仪102、BOG释放阀103和BOG流量控制阀107分别与所述电控单元ECU129相连接。
当所需EGR量增大时，电控单元ECU129控制废气旁通阀116开度增大，此时混合气温度升高超过某一设定值，电控单元ECU129做出响应，增大BOG流量控制阀107开度，更多的BOG通过隔热管道流入换热器114，进而加速对残余废气和新鲜空气混合气的冷却，加热后的BOG通过管道流入CNG储罐106。
所述船用双燃料发动机进气管道上设有与所述电控单元ECU129相连接的进气温度压力传感器128；所述船用双燃料发动机排气管道上设有与所述电控单元ECU129相连接的排气氧传感器120。
根据本发明的实施方式，LNG船用双燃料发动机的燃料供给系统包括电控共轨柴油供给装置和预混天然气供给装置。电控共轨柴油供给装置，当发动机在给定工况运转时，柴油经过柴油储罐123输送至柴油滤清器122，过滤后的柴油经带压力调节装置的柴油泵119加压后进入柴油轨118，电控单元ECU129根据曲轴位置及转速传感器126、柴油轨压传感器117、进气温度压力传感器128反馈的信号控制带压力调节装置的柴油泵119调节柴油轨118的供给压力，进而控制喷油压力及喷油量，引燃柴油的喷射时刻由曲轴位置及转速传感器126与发动机缸盖上的缸内工质温度传感器125协同控制，当发动机处于压缩冲程，温度达到最适宜燃油蒸发雾化形成分层混合气的温度时，电控单元ECU129输出动作信号控制电磁阀式喷油器124喷油，该温度可以通过数值计算求得，也可以启动自动寻优控制得到。预混天然气供给装置，压缩天然气从CNG储罐106流出经缓冲稳压装置减压稳压后，流入天然气轨111，减压稳压装置与天然气轨111之间装有天然气流量计109，天然气轨111与天然气喷射模块112相连，电控单元ECU129根据不同工况下发动机转速及进气流量对天然气流量进行计算修正，并通过天然气喷射模块112将天然气喷入进气管与冷却之后的EGR/空气混合气混合经电子节气门113流入气缸。
根据本发明的实施方式，LNG船用双燃料发动机燃烧系统包含一套BOG-EGR换热子系统。当气体分析仪102检测到LNG储罐101中的甲烷气体含量过高时，通知电控单元ECU129打开BOG释放阀103，BOG气体通过隔热管道流入BOG储罐104，BOG储罐104作为中转站。废气旁通阀116打开时，进气温度压力传感器128将混合气的温度反馈给电控单元ECU129，当进气温度超出限定值时，电控单元ECU129控制BOG流量控制阀107打开，带有一定冷量的BOG气体经过隔热管道流入换热器114，BOG流量控制阀107可以根据废气旁通阀116的开度自动调节阀门开度，以达到快速冷却的目的，经换热器114加热后的BOG气体通过管道流入CNG储罐106，以供天然气轨111使用。
如图2所示，本发明还提供了一种基于上述的基于缸内工质温度控制喷油的船用双燃料发动机燃烧系统的喷油正时自动寻优控制方法，其包括以下步骤：
步骤1，在船用双燃料发动机运行前，电控单元ECU129根据发动机所要运行的工况进行系统初始化
步骤2.1，设定一个该工况下自动喷油所对应的喷油器124动作温度，当发动机运行在压缩冲程缸内工质温度达到喷油器124动作温度时，电控单元ECU129控制电磁阀做出响应动作。
步骤2.2，设定不同天然气替代率下的天然气供给参数和电子节气门113开度，通过电控单元ECU129控制带压力调节装置的柴油泵119向柴油轨118输送一定压力的燃油。
步骤2.3，根据船用双燃料发动机标定工况下运行所需EGR量，通过电控单元ECU129控制废气旁通阀116开度。
步骤2.4，船用双燃料发动机启动后，电控单元ECU129通过曲轴位置及转速传感器126获取运行点的工况信息，进行喷油量修正。
步骤2.5，当船用双燃料发动机曲轴旋转至压缩冲程时，电控单元ECU129通过安装在缸盖上的缸内工质温度传感器125获取压缩冲程不同时刻下的缸内工质状态信息，当缸内工质温度达到预设喷油正时所对应的喷油器124动作温度时，电控单元ECU129接收到反馈，控制电磁阀式喷油器124做出响应动作，喷射一定质量的高压燃油。
步骤2.6，根据各个传感器的反馈信息及所测量的柴油耗率、天然气消耗率以及各项排放值(NOX排放、CO排放、HC排放)等参数对船用双燃料发动机的动力性、环保性、经济性以及燃料替代率进行综合分析，综合分析的评价标准为动力性强、燃料消耗率低，排放性能满足相应的国家标准，即满足排放法规。当该喷油正时下的各项指标达不到所要求的标准时，电控单元ECU129自动调节喷油正时所对应的喷油器124动作温度增加ΔT，该喷油正时下所得到的各项指标继续进行综合分析，直到各项指标满足要求。
步骤2.7，当船用双燃料发动机在某一喷油正时下的各项指标满足要求时，设定该喷油正时所对应的缸内工质温度为下次喷油时刻默认温度。
步骤2.8，记录该工况信息并进行存储。
综上所述，本发明可实现：电控单元ECU可以根据缸内工质的温度及曲轴转角的位置信息，调节喷油时刻至能效最优点，对于近年来发展起来的化学反应活性控制压燃(RCCI)低温燃烧模式有很好的辅助作用，可以实现精确的缸内着火控制进而保持良好的燃烧稳定性以及发动机动力性。该系统所包含的BOG-EGR换热子系统，使用换热器取代原始船用发动机中冷器，能在不增加经济成本的前提下实现能量的高效利用。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种船用双燃料发动机燃烧系统，其特征在于，包括：设置在船用双燃料发动机的气缸组件上的喷油器、用于检测船用双燃料发动机的气缸组件内燃烧室工质温度的缸内工质温度传感器和曲轴位置及转速传感器；与喷油器连接的电控共轨柴油供给装置；预混天然气供给装置；BOG-EGR换热子系统及电控单元ECU；所述喷油器、缸内工质温度传感器、曲轴位置及转速传感器、电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置及BOG-EGR换热子系统分别与所述电控单元ECU相连接；所述电控单元ECU控制电控共轨柴油供给装置向船用双燃料发动机供应一定压力温度的引燃柴油，并控制预混天然气供给装置向船用双燃料发动机供应一定天然气/空气比率下的预混天然气，并控制BOG-EGR换热子系统向船用双燃料发动机供应通过BOG气体冷却后的EGR气体和空气的混合气，并根据所述缸内工质温度传感器和曲轴位置及转速传感器的检测信号控制引燃柴油的喷射时刻。
2.如权利要求1所述的船用双燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述电控共轨柴油供给装置包括依次连接的柴油储罐、带压力调节装置的柴油泵及柴油轨；所述柴油轨与所述喷油器连接，并设有柴油轨压传感器；所述带压力调节装置的柴油泵和柴油轨压传感器分别与所述电控单元ECU相连接。
3.如权利要求2所述的船用双燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述柴油储罐和所述带压力调节装置的柴油泵之间依次设有柴油滤清器和柴油油耗仪。
4.如权利要求1所述的船用双燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述预混天然气供给装置包括依次连接的CNG储罐、天然气减压稳压装置、天然气轨及天然气喷射模块；所述天然气喷射模块与设置在船用双燃料发动机进气管道上的电子节气门连接，并与所述电控单元ECU相连接；所述天然气轨上设有与所述电控单元ECU相连接的天然气轨压传感器。
5.如权利要求4所述的船用双燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述CNG储罐上设有与所述电控单元ECU相连接的压力传感器；所述天然气减压稳压装置和天然气轨之间设有天然气流量计。
6.如权利要求1所述的船用双燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述BOG-EGR换热子系统包括：LNG储罐、与LNG储罐连接的BOG储罐、换热器、涡轮增压装置及废气旁通阀；所述换热器的冷端进口与BOG储罐连接，冷端出口与预混天然气供给装置连接，热端进口与涡轮增压装置的空气出口连接，热端出口与船用双燃料发动机进气管道上的电子节气门连接；涡轮增压装置的废气进口与船用双燃料发动机排气管道连接；所述旁通阀设置在船用双燃料发动机排气管道和所述换热器的热端进口之间，并与所述电控单元ECU相连接。
7.如权利要求6所述的船用双燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述LNG储罐上部设有气体分析仪；所述LNG储罐和BOG储罐之间设有BOG释放阀；所述BOG储罐和换热器之间设有BOG流量控制阀；所述气体分析仪、BOG释放阀和BOG流量控制阀分别与所述电控单元ECU相连接。
8.如权利要求1所述的船用双燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述船用双燃料发动机进气管道上设有与所述电控单元ECU相连接的进气温度压力传感器。
9.如权利要求1所述的船用双燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述船用双燃料发动机排气管道上设有与所述电控单元ECU相连接的排气氧传感器。
10.一种基于如权利要求6所述的船用双燃料发动机燃烧系统的喷油正时自动寻优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在船用双燃料发动机运行前，电控单元ECU根据发动机所要运行的工况进行系统初始化；
步骤2.1：设定该工况下的喷油器动作温度；
步骤2.2：设定天然气供给参数、燃油供油压力及电子节气门开度；
步骤2.3：设定废气旁通阀开度；
步骤2.4：船用双燃料发动机启动后，电控单元ECU通过曲轴位置及转速传感器获取运行点的工况信息，进行喷油量修正；
步骤2.5：当气缸组件内燃烧室工质温度达到喷油器动作温度时，电控单元ECU控制喷油器做出响应动作，喷射一定质量的高压燃油；
步骤2.6：对船用双燃料发动机的各项指标进行性能评价，若不满足要求时，则喷油器动作温度增加ΔT，并执行步骤2.5；若满足要求，则执行步骤2.7；
步骤2.7：设定该喷油器动作温度为该工况下的最佳喷油正时；
步骤2.8：记录该工况信息并进行存储。
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