王源慶　任光 張均東

摘要：

為研究雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)運(yùn)行特性，以曼恩8L51/60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用流體力學(xué)和插值算法，針對(duì)雙燃料系統(tǒng)的三種工作模式（柴油模式、燃?xì)饽Ｊ?、備用模式），建立柴油系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、引燃油系統(tǒng)綜合數(shù)學(xué)模型.基于天然氣的物理、化學(xué)性能與液體燃油不同，燃料油系統(tǒng)高壓油泵凸輪模型對(duì)系統(tǒng)影響大等特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)共軌柴油機(jī)模型中凸輪的彈性模量進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)雙燃料系統(tǒng)模型的建立.最后，利用MATLAB/Simulink對(duì)建立的系統(tǒng)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、引燃油系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真和特性分析.仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)模擬出的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的運(yùn)行特性與實(shí)際相符.該模型可應(yīng)用于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞：

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)； 燃油系統(tǒng)； 燃?xì)猓?引燃油

中圖分類號(hào)： U664.12

0 引 言

為降低航運(yùn)業(yè)運(yùn)營(yíng)成本、保護(hù)環(huán)境，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)不斷被改進(jìn)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以其污染更少、燃料價(jià)格較低，成為研究熱點(diǎn)[12].現(xiàn)階段雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于LNG船，其工作原理與柴油機(jī)一樣，其燃料既可以是燃油又可以是天然氣，燃油系統(tǒng)由燃料油系統(tǒng)、天然氣共軌系統(tǒng)和引燃油系統(tǒng)組成[3].趙輝[4]對(duì)液體燃料共軌柴油機(jī)進(jìn)行了研究；沈蘇海等[5]對(duì)電控柴油機(jī)燃油共軌系統(tǒng)進(jìn)行了建模；王書雷等[6]對(duì)曼恩雙燃料機(jī)器的4種工作模式進(jìn)行了介紹；劉紅雷等[7]運(yùn)用AVLBoost對(duì)雙燃料系統(tǒng)進(jìn)行了仿真；湯東等[810]對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型和熱效率進(jìn)行了研究；魏冰等[11]運(yùn)用MAP圖對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了研究；羅福強(qiáng)等[12]就雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性進(jìn)行了分析；張春潤(rùn)等[13]基于原機(jī)動(dòng)力性對(duì)柴油天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了研究；朱永凱等[14]對(duì)國(guó)內(nèi)3萬(wàn)m3 LNG船動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了介紹.迄今為止還沒(méi)有對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的研究.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以曼恩8L51/60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，建立包含燃料油系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、引燃油系統(tǒng)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)整體燃油系統(tǒng)模型；針對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的特性，對(duì)傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)；最后通過(guò)仿真試驗(yàn)，比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)和臺(tái)架數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的正確性.

1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理

曼恩8L51/60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)與四沖程柴油機(jī)類似，其燃油系統(tǒng)如圖1所示.燃料油系統(tǒng)可以使用重油或輕油，采用傳統(tǒng)機(jī)械凸輪控制；天然氣系統(tǒng)燃?xì)鈦?lái)自LNG船貨倉(cāng)揮發(fā)氣，系統(tǒng)主要包含液貨艙、加熱器、供氣壓縮機(jī)、供氣閥件單元、燃?xì)夤曹壓腿細(xì)忾y等，通過(guò)壓縮機(jī)使燃?xì)夤曹墘毫Ρ３衷?.8～7.2 MPa，燃?xì)忾y依靠SaCoSone

圖1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈬娚涠〞r(shí)和定量的精確控制；引燃油系統(tǒng)使用輕柴油，在燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)引燃天然氣（燃料油模式時(shí)，引燃油也噴射，防止噴油器積碳）.由SaCoSone控制系統(tǒng)控制引燃油泵，使引燃油共軌穩(wěn)定在90 MPa左右，同時(shí)實(shí)現(xiàn)引燃油噴油定時(shí)和脈寬的精確控制.

2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

燃油系統(tǒng)中燃料油系統(tǒng)和引燃油系統(tǒng)是以流體力學(xué)和牛頓第二定律為理論依據(jù)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的[1].燃?xì)庀到y(tǒng)由于壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難建立精確的數(shù)學(xué)模型，本文采用插值法建立壓縮機(jī)模型.對(duì)于燃?xì)夤曹?，先采用分子?dòng)理論和力學(xué)理論推導(dǎo)出氣體彈性模量，然后根據(jù)流體力學(xué)建立氣體連續(xù)運(yùn)動(dòng)方程.本文在建立燃油系統(tǒng)模型時(shí)作如下假設(shè)：（1）液體燃油是可壓縮一維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的；（2）液體燃油在整個(gè)系統(tǒng)中溫度保持不變；（3）各腔室為集中容積，本腔室內(nèi)同一時(shí)刻各處壓力相等；（4）不考慮管路流體阻力；（5）不考慮系統(tǒng)漏泄和各處的彈性形變；（6）天然氣流動(dòng)看作一維絕熱定常流動(dòng).

2.1 燃料油系統(tǒng)和引燃油系統(tǒng)

如圖1所示，燃料油經(jīng)高壓油泵加壓后，通過(guò)高壓油管供入噴油器，凸輪軸控制噴油定時(shí).因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間本發(fā)動(dòng)機(jī)使用燃?xì)饽Ｊ?，這種布置可以降低燃油系統(tǒng)復(fù)雜程度，提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性.引燃油系統(tǒng)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(jī)器的引燃油系統(tǒng)采用共軌系統(tǒng)，使引燃油系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在一個(gè)較高的水平，引燃效果好.

上述兩系統(tǒng)建模方法較為成熟，本文將不再詳述，只對(duì)燃料油系統(tǒng)高壓油泵凸輪、引燃油系統(tǒng)引燃油泵進(jìn)行進(jìn)一步研究.

2.1.1 燃料油系統(tǒng)高壓油泵凸輪

由于燃料油系統(tǒng)高壓油泵凸輪模型精確性比共軌柴油機(jī)凸輪的對(duì)系統(tǒng)的影響大，本文對(duì)高壓油泵凸輪模型作了進(jìn)一步研究.目前國(guó)內(nèi)外多采用高次多項(xiàng)式、復(fù)合函數(shù)和N次諧波等凸輪型線.文獻(xiàn)[4]采用的是高次多項(xiàng)式法，其參數(shù)都是凸輪最大行程的函數(shù)，誤差較大；諧波法較為復(fù)雜，計(jì)算量較大；復(fù)合函數(shù)法簡(jiǎn)單，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證精確性較高次多項(xiàng)式法更準(zhǔn)確.因此本文采用復(fù)合函數(shù)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(fù)合一段等加速曲線.

2.1.2 引燃油系統(tǒng)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(tǒng)控制，保持共軌油壓穩(wěn)定，其泵的工作性能較為重要.

（1）柱塞位移模型

2.2 燃?xì)庀到y(tǒng)

燃?xì)庀到y(tǒng)的供氣單元主要是一些閥件，對(duì)系統(tǒng)影響不大，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮其數(shù)學(xué)模型.本系統(tǒng)主要對(duì)燃?xì)鈮嚎s機(jī)、加熱器、燃?xì)夤曹?、燃?xì)忾y進(jìn)行建模.

2.2.1 燃?xì)鈮嚎s機(jī)

燃?xì)鈮嚎s機(jī)一般是多級(jí)壓縮，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型.本文借鑒空氣壓縮機(jī)的建模方法，采用折合參數(shù)法得到壓縮機(jī)特性線，并繪制等速線和等熵效率線.通過(guò)插值算法得到相關(guān)參數(shù)的值.

查特性曲線時(shí)，先根據(jù)式（1）把壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為標(biāo)定工況的折合轉(zhuǎn)速，再根據(jù)壓比查得折合流量和效率，然后根據(jù)式（2）計(jì)算實(shí)際流量.根據(jù)熱力學(xué)原理，壓縮機(jī)工作過(guò)程可看成絕熱壓縮流動(dòng)過(guò)程，因此可根據(jù)一維等熵絕熱壓縮過(guò)程計(jì)算壓縮機(jī)出口溫度，通過(guò)式（3）可得出口溫度.

式中：ne為折合轉(zhuǎn)速；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；T0為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓溫度；T為大氣壓溫度；me為折合流量；m為壓縮機(jī)空氣質(zhì)量流量；p0為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力；p為大氣壓力；ηc為壓縮機(jī)效率；πk為增壓比；Tin和Tout分別為壓縮機(jī)進(jìn)、出口溫度；u=k-1k，k為空氣絕熱指數(shù).

2.2.2 加熱器

在燃?xì)庀到y(tǒng)中，壓縮機(jī)前后都有加熱器，使燃?xì)鉁囟忍岣叩椒弦蟮闹?為簡(jiǎn)化模型只設(shè)了一個(gè)加熱器.加熱器可以精確控制出口溫度，但是有節(jié)流作用，因此可以作為等壓升溫環(huán)節(jié)來(lái)簡(jiǎn)化處理.

2.2.3 緩沖器

針對(duì)緩沖器，其流入和流出燃?xì)鉂M足如下連續(xù)性方程：

式中：Vb為緩沖器容積；pb為緩沖器壓力；En為燃?xì)鈴椥阅Ａ?；Qb-in為進(jìn)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(guān)信號(hào)，開時(shí)為1，關(guān)時(shí)為0；μsf和Asf分別為安全閥流量系數(shù)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(jì)算.由于天然氣在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，速度和壓力傳遞比液體慢，可以看成是等溫流動(dòng)過(guò)程.根據(jù)范德瓦爾斯方程

2.2.4 燃?xì)忾y

燃?xì)鈴倪M(jìn)氣管進(jìn)入氣缸，因此進(jìn)入壓力是燃?xì)夤曹墘毫?，背壓是空氣進(jìn)氣壓力.因此，燃?xì)忾y流量模型為

3 仿真實(shí)驗(yàn)邊界參數(shù)設(shè)置

仿真時(shí)MATLAB /Simulink采用ode4算法，定步長(zhǎng)0.000 01.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料油系統(tǒng)采用凸輪控制，凸輪工作半包角為126°，凸輪轉(zhuǎn)速為257 r/min，噴油器啟發(fā)壓力為37.5 MPa；引燃油系統(tǒng)油泵斜盤傾角為16.5°，油泵油缸與泵軸的夾角為10.5°，轉(zhuǎn)速為1 950 r/min，引燃油共軌體積為0.2 m3.燃?xì)庀到y(tǒng)壓縮機(jī)進(jìn)機(jī)溫度為-140 ℃，壓力

0.106 MPa，緩沖器工作壓力為1 MPa，燃?xì)夤曹壓途彌_器體積分別為1 m3和3 m3.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率是99.9%，額定轉(zhuǎn)速為514 r/min，在0.7 s內(nèi)，會(huì)有3個(gè)工作循環(huán).

4 仿真實(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)[4]采用高次多項(xiàng)式仿真油泵凸輪，其對(duì)象是三作用凸輪，其工作半包角為64°.當(dāng)用此法仿真機(jī)械式燃油系統(tǒng)油泵凸輪時(shí)，兩次工作間隔期會(huì)出現(xiàn)異常抖動(dòng)（見(jiàn)圖2），這是因?yàn)楣ぷ靼氚亲優(yōu)?26°，而且文獻(xiàn)[4]中參數(shù)都為最大升程的函數(shù)，誤差較大.而本文采用的復(fù)合函數(shù)法模擬效果較好.

從圖3可以看出，柱塞升程曲線柔和、穩(wěn)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(xù)噴油，管內(nèi)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(shí)際情況相符.

從圖4可以看出：噴油是跟隨油泵動(dòng)作的，且噴油時(shí)間略晚于供油時(shí)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(fā)壓力37.5 MPa時(shí)，噴油器針閥才開始慢慢動(dòng)作.而噴油結(jié)束時(shí)，針閥升程在彈簧的作用下快速回零.這與實(shí)際情況相符.

5 結(jié) 論

以曼恩雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，建立燃油系統(tǒng)仿真模型.由于天然氣較之常規(guī)液壓油物理、化學(xué)性質(zhì)大為不同，燃料油系統(tǒng)高壓油泵凸輪數(shù)學(xué)模型精確性較之瓦錫蘭共軌柴油機(jī)凸輪的對(duì)系統(tǒng)影響更大，本文在以下幾個(gè)方面做了改進(jìn)：燃料油系統(tǒng)高壓油泵凸輪采用復(fù)合函數(shù)法，氣體彈性模量采用范德瓦爾斯方程.仿真結(jié)果表明，新模型能更好地反映燃料油系統(tǒng)、引燃油系統(tǒng)、天然氣共軌系統(tǒng)工作過(guò)程，能更準(zhǔn)確地模擬燃料油凸輪升程、引燃油共軌軌壓、燃?xì)鈮嚎s機(jī)和燃?xì)夤曹壍葏?shù)的變化.與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了模型較準(zhǔn)確.該模型可以作為通用模型，為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)算法的研究提供了一個(gè)較好的仿真平臺(tái).

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（編輯 賈裙平）