摘 要

化石燃料以及全球污染已经成为了全球共同面临的两大严峻问题，国际海事组织（IMO）也制定了严格的排放法规，对NOx的排放限值也是不断提高，迫使船舶行业向着高效率和低排放的方向去研究发展。与化石燃料不同，天然气的储量丰富，价格便宜和所产生的排放物NOx以及碳烟颗粒大幅度减少，这些优点吸引了全世界的专家对燃用柴油和天然气的双燃料发动机的研究，在未来双燃料发动机的市场一定是巨大的。

如今的双燃料发动机与传统的发动机有一个最明显的区别就是双燃料发动机多了一套天然气进气系统，这对于电控系统的要求更加高了，为了防止天然气燃烧过程中出现爆震以及失火等现象，需严格控制缸内过量空气系数，而且在柴油/燃气双模式转换以及发动机转速调节也需要电控系统精确控制，所以开展船用中速双燃料发动机的电控系统相关的研究工作是对于我国研究双燃料发动机具有一定的理论意义。

本文以ACD320船用中速双燃料发动机为对象，在分析此双燃料发动机工作原理的基础上开展双燃料发动机的功能需求^[1]，将其控制功能划分为燃烧管理、爆震失火控制、双燃料模式切换、发动机调速控制、启动/停车功能以及发动机监控与安全。其中燃烧管理分为气缸平衡需求，燃油/燃气运行功能需求；爆震/失火控制分为原因分析、危害及其必要性；双模式切换功能主要探究，燃油模式转换到燃气模式的需求，以及反向转换的必要；发动机调速控制分为燃油模式调速和燃气模式调速；启动/停车需求分析由柴油模式启动，柴油模式停车，燃气模式停车三部分；最后是发动机的监控与安全，主要是燃料系统的监控，电气系统的监控，涡轮增压机的监控。

在完成功能需求分析的基础上，开展了双燃料发动机的策略研究工作，如发动机启动策略，双燃料模式切换策略，气缸平衡策略，爆震/失火控制策略以及发动机调速策略等；最后用Simulink软件开发了对应控制策略的程序代码，并验证了控制逻辑的正确性。

关键词：双燃料发动机；功能需求分析；Simulink

Abstract

Fossil fuels and global pollution have become two major problems facing the world. The International Maritime Organization (IMO) has also formulated strict emission regulations. The NOx emission limits are also constantly increasing, forcing the shipping industry to move towards high efficiency and low emissions. Direction of research and development. Unlike fossil fuels, natural gas is rich in reserves, cheap, and the emissions NOx and soot particles generated are greatly reduced. These advantages have attracted experts from all over the world to study dual-fuel engines burning diesel and natural gas. The market for dual fuel engines must be huge.

One of the most obvious differences between today ’s dual-fuel engines and traditional engines is that the dual-fuel engines have an additional natural gas intake system, which places greater demands on the electronic control system. In order to prevent knocking and misfires during natural gas combustion Phenomena such as the need to strictly control the excess air coefficient in the cylinder, and the diesel / gas dual mode conversion and engine speed adjustment also require precise control of the electronic control system, so the research work related to the electronic control system of the marine medium-speed dual-fuel engine is Research on dual fuel engines in China has certain theoretical significance.

This article takes the ACD320 marine medium-speed dual-fuel engine as the object, develops the functional requirements of the dual-fuel engine based on the analysis of the working principle of the dual-fuel engine [1], and divides its control functions into combustion management, detonation and misfire control, and dual fuel Mode switching, engine speed control, start / stop function, engine monitoring and safety. Among them, combustion management is divided into cylinder balance requirements and fuel / gas operation function requirements; knocking / misfire control is divided into cause analysis, hazards and necessity; dual-mode switching function is mainly explored, the need to switch from fuel mode to gas mode, and reverse The necessity of the conversion; engine speed control is divided into fuel mode speed regulation and gas mode speed regulation; start / stop demand analysis starts from diesel mode, diesel mode stops, and gas mode stops; finally, engine monitoring and safety, mainly It is the monitoring of the fuel system, the monitoring of the electrical system, and the monitoring of the turbocharger.

On the basis of completing the functional requirements analysis, the strategy research work of the dual fuel engine was carried out, such as the engine starting strategy, the dual fuel mode switching strategy, the cylinder balancing strategy, the knocking / misfire control strategy and the engine speed regulation strategy, etc .; finally, Simulink The software developed the program code corresponding to the control strategy and verified the correctness of the control logic.

Keywords: dual fuel engine; functional demand analysis; Simulink

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1 双燃料发动机分类方法 1

1.2.2 双燃料发动机国内外应用现状 2

1.3研究内容 3

1.3.1研究的主要内容 3

1.3.2技术路线 4

第2章 双燃料发动机功能需求分析 5

2.1 ACD320DF发动机结构及技术参数 5

2.2 ACD320DF双燃料发动机工作原理 6

2.3 双燃料发动机整体功能需求 7

2.4 燃烧管理功能需求分析 7

2.5 爆震/失火控制功能需求 8

2.6 双燃料模式切换功能需求分析 9

2.7 发动机调速控制功能需求分析 10

2.8 启动/停车功能需求分析 11

2.9 发动机监控与安全功能需求分析 11

第3章 双燃料发动机控制策略分析 13

3.1 启动策略分析 13

3.2 双燃料模式切换策略分析 14

3.2.1柴油模式切换到燃气模式策略分析 14

3.2.2 燃气模式切换到柴油模式策略分析 15

3.3 气缸平衡控制策略分析 16

3.4爆震失火控制策略分析 16

3.5 调速控制策略分析 17

3.5.1 燃油模式调速 17

3.5.2 燃气模式调速 18

第4章 部分控制策略开发及逻辑验证 19

4.1 启动 19

4.2 燃油模式到燃气模式切换 21

4.3 燃气模式到燃油模式切换 26

第5章 结论与展望 29

5.1 结论 29

5.2展望 29

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1研究背景

环境污染问题以及能源短缺，已经引起了世界上的巨大关注，国际上也在采取许多措施去缓解这两个影响社会发展的主要问题，对于船舶航运行业而言，传统的船舶柴油机的使用和发展也深受这两个问题的影响，也由于2016 年 10 月，国际海事组织（IMO）发布了一项关于限制硫排放的法规：为了应对此严格的法规，只有采用双燃料发动机，因此天然气/柴油的双燃料发动机已经成为了一种趋势性选择。

天然气是一种高效，优质，清洁的能源，液化天然气的化学性质非常接近于甲烷，其内的甲烷含量更是高达95%以上，它不仅具有很高的辛烷值而且抗爆震性也强，能适应船舶柴油机的高压缩比，热效率高，但由于较低的十六烷值，使其不能被压燃，因此双燃料发动机的点火方式主要有两种，一是通过微喷器喷射引燃油到缸内压燃点火，二是在其预燃室内安装火花塞，进行高压放点打火引燃天然气的方式点燃，但是柴油微喷引燃更常见一些^[2-3]。近年来随着电控共轨技术的快速发展，这使得双燃料发动机的喷油量以及喷油正时较容易得到控制，这能够提高柴油微喷引燃天然气发动机的性能^[4-5]。

引燃柴油的喷油正时，天然气的喷射量，以及掺烧比都对双燃料发动机的动力性、经济性和排放特性的影响较大，要实现以上三个方面的联合控制，必须开发电控系统，和探究发动机控制策略。