一种应用于进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机的进气温控系统及控制方法

摘要

本发明涉及一种应用于进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机的进气温控系统及控制方法。进气温控系统包括：船舶柴油机、柴油电子控制单元，安装于空气管路外围的空气冷却器、喷醇器、甲醇电子控制单元、甲醇系统开关，进气温度传感器、电控三通冷却水阀门、冷却水旁通管路；所述电控三通冷却水阀门包括一路输入，二路输出，其一路输入端和一路输出端串接在冷却水进水管路，另一路输出端与冷却水出水管路并接；所述进气温度传感器的数据与甲醇电子控制单元相连，所述电控三通冷却水阀门由甲醇电子控制单元控制。本发明推动了柴油/甲醇组合燃烧技术(DMCC)在船舶发动机领域的应用，实现了进气温度的实时控制。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机，进一步涉及一种应用于进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机的进气温控系统及控制方法。

背景技术：

甲醇燃料凭借着低排放、来源广、环境危害小等独特优势，目前正吸引着越来越多的船东和船舶发动机厂家的兴趣。且其常温下呈液态，蒸汽压力低，不易挥发，安全性高，发动机改造和新建成本低，港口配套补给设备也更全面，这些特点都表明甲醇比LNG更具成本竞争力，也更有潜力成为未来船舶的替代燃料。国际海事组织IMO 在2019年9月确认甲醇为安全且合规的低闪点燃料，并且在2020年 11月举办的海上安全委员会第102届会议(MSC102)上通过了使用甲基/乙基醇作为船舶燃料的新临时指南，为使用甲醇燃料的船舶提供了国际标准。这些关于甲醇上船的积极政策更推动了甲醇作为船用燃料的应用。

甲醇十六烷值较低，自燃温度较高，另具有粘度低、汽化潜热较大、不与柴油互溶等特点，直接作为燃料在压燃式发动机上应用存在一定困难，因而提出了柴油与甲醇共燃的方法来解决这一问题，即利用着火温度较低的柴油来引燃缸内的甲醇空气混合气，柴油仍采用缸内直喷的方式进入气缸，而甲醇进入发动机气缸方式的则有很多种，目前在船舶发动机领域广为应用的方法包括缸内直喷法和进气道喷射法。

缸内直喷法将甲醇燃料直接喷入发动机气缸，在缸内完成与空气的混合过程并最终被柴油引燃。大量实验数据表明该方法能实现90％的甲醇替代率，并有效降低氮氧化物和颗粒物排放，目前国际上的 MAN公司和瓦锡兰公司旗下的甲醇燃料船均采用此种方法。但缸内直喷法存在的缺点是需要在气缸盖上安装耐高温耐高压的甲醇喷嘴，用以将大于500bar压力的甲醇喷入气缸，改动大、成本极高。

而进气道喷射法将甲醇燃料通过安装于发动机进气总管或进气歧管上的低压甲醇喷嘴喷入进气道，使之在进入气缸前与空气充分混合形成均质混合气，而后进入气缸。中国专利CN1470752A公开的柴油/甲醇组合燃烧技术(Diesel Methanol CompoundCombustion，DMCC) 便是以进气道喷射法为基础。这种方式对发动机改动小，且成本极低，甲醇系统所受负荷较小，甲醇压力仅为4bar，可靠性强。但是该专利基于车用柴油机提出，将之应用于船用柴油机后发现，由于传统的船舶空气冷却器针对纯柴油发动机设计，直接引入海水、河水或低温淡水冷却，被冷却后的增压空气温度过低，对于燃用甲醇燃料的发动机来说，极不利于中小负荷下甲醇的蒸发。

发明内容：

本发明专利的目的是解决专利CN1470752A柴油/甲醇组合燃烧技术直接应用于船舶发动机时所面临的中小负荷下甲醇蒸发性差的问题，将中小负荷下甲醇喷嘴处的空气温度控制至最佳。本发明提供了一种应用于进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机的进气温控系统及控制方法。具体技术方案如下：

一种应用于进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机的进气温控系统，包括：船舶柴油机、柴油电子控制单元，安装于空气管路外围的空气冷却器、喷醇器、甲醇电子控制单元、甲醇系统开关；所述空气冷却器包括进水管路和出水管路；还包括：进气温度传感器、电控三通冷却水阀门、冷却水旁通管路；所述电控三通冷却水阀门包括一路输入，二路输出，其一路输入端和一路输出端串接在冷却水进水管路，另一路输出端与冷却水出水管路并接；所述进气温度传感器的数据与甲醇电子控制单元相连，所述电控三通冷却水阀门由甲醇电子控制单元控制。

所述空气冷却器位于废气涡轮增压器的压气机后，其作用是利用海水、河水或低温淡水冷却送往燃烧室的增压空气；所述柴油电子控制单元用于控制柴油喷油器喷油时刻和喷油量；所述喷醇器总成在专利CN110454289A中有详细介绍，安装于进气总管，其内部的甲醇喷嘴执行甲醇电子控制单元发出的命令，将甲醇喷入进气道；所述进气温度传感器安装于喷醇器总成前，测量进气道中与甲醇混合形成均质混合气的空气温度，并将温度信号传递给甲醇电子控制单元；所述甲醇电子控制单元通过CAN模式，直接读取原机柴油电子控制单元的转速信号、油门信号和冷却液温度信号来判断发动机工作状况，以确定甲醇喷射，同时控制进气温控系统，读取进气温度传感器的温度信号，结合当前发动机工作负荷，控制电控三通冷却水阀门开度，进而通过控制进入空气冷却器的冷却水流量实现进气温度的调节；所述甲醇系统开关用于手动调换柴油机工作状态处于柴油甲醇双燃料模式或是原机的纯柴油模式；所述电控三通冷却水阀门安装于空气冷却器的冷却水进水管路，其作用是执行甲醇电子控制单元传来的命令，改变进入空气冷却器的冷却水流量；所述两个手阀分别安装在两条冷却水旁通管路上，其作用是当电控三通冷却水阀门需要维修时，将电控三通冷却水阀门旁通；所述冷却水旁通管路包含安装于冷却水进水管路上的以及连接冷却水进、出水管路的两段管路。

在上述系统上实现的一种应用于进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机的进气温度控制方法，包括如下步骤：

步骤1：启动发动机，打开甲醇系统开关；

步骤2：发动机平稳运行在目标工况点，甲醇电子控制单元通过通过CAN模式，直接读取原机柴油ECU的转速信号、油门信号、冷却液温度信号，并依此判断发动机工况是否满足甲醇系统运行要求，判定为满足要求时，甲醇系统自动运行；

步骤3：安装于冷却水进水管路上旁通管路的手阀常闭，连接冷却水进、出水管路的旁通管路上的手阀常开；甲醇电子控制单元从柴油电子控制单元读取发动机工作负荷参数，从进气温度传感器读取温度参数，当发动机运行于50％负荷以下的工况时(含50％负荷)，对电控三通冷却水阀门发出指令，减少进入空气冷却器的冷却水流量，通过闭环控制，调节喷醇器总成前的温度至提前标定好的最佳温度值。

本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明推动了柴油/甲醇组合燃烧技术(DMCC)在船舶发动机领域的应用，实现了进气温度的实时控制。

进气温度的高低对柴油/甲醇二元燃料燃烧过程有重要影响。本发明可帮助进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机缩短滞燃期，降低预混燃烧峰值，提高火焰传播峰值，缩短燃烧持续期，显著提高中小负荷下发动机燃烧效率和热效率，提高甲醇燃料替代率，缩小失火区域面积。

本发明还可帮助改善排放性能。中小负荷下提升进气温度可显著降低进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机的碳氢化合物排放，且小负荷下柴油甲醇燃烧以气相燃烧为主，进气温度的升高不会引起氮氧化物和烟度排放的增加。

该发明具有很高的实用价值。调查发现中小负荷是内河船舶的常用负荷，特别是25％以下的负荷，而进气温控系统的发明恰是为了解决该负荷下进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机甲醇替代率低，经济性不高的问题。

该技术方案对空气冷却器的冷却水管路改动极小，既可指导柴油甲醇双燃料发动机热管理模块的设计，也可直接应用于在用船舶柴油机向柴油甲醇双燃料发动机的改造项目。

附图说明：

图1是本发明实施例中进气温控系统结构示意图；图中，1代表船舶柴油机，2代表喷醇器，3代表进气温度传感器，4代表柴油电子控制单元，5代表甲醇电子控制单元，6代表甲醇系统开关，7代表第一手阀，8代表电控三通冷却水阀门，9代表空气冷却器，10代表第二手阀，11代表上位机。

具体实施方式：

实施例：

用于改装的船舶发动机型号为Z6170，是一台直列六缸、增压中冷、四冲程高速柴油机，额定转速1500r/min，额定功率450kW，主要作为船舶主机使用，专为内河航运设计，国内保有量最大，广泛使用于散货船和渔船，十分具有代表性。

一种应用于进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机的进气温控系统，包括：船舶柴油机1、柴油电子控制单元4，安装于空气管路外围的空气冷却器9、喷醇器2、甲醇电子控制单元5、甲醇系统开关6；所述空气冷却器包括进水管路和出水管路；还包括：进气温度传感器3、电控三通冷却水阀门8、冷却水旁通管路，位于进水管旁通管路上的第一手阀7，位于出水管旁通管路上的第二手阀10，与甲醇电子控制单元、柴油电子控制单元相连的上位机11；所述电控三通冷却水阀门包括一路输入，二路输出，其一路输入端和一路输出端串接在冷却水进水管路，另一路输出端与冷却水出水管路并接；所述进气温度传感器的数据与甲醇电子控制单元相连，所述电控三通冷却水阀门由甲醇电子控制单元控制。在上述系统上实现的一种应用于进气道喷醇式船用柴油甲醇双燃料发动机的进气温度控制方法，包括如下步骤：

步骤1：启动发动机，打开甲醇系统开关；

步骤2：发动机平稳运行于目标的中小负荷工况点，具体包括12.5％负荷、25％负荷以及50％负荷，甲醇电子控制单元5通过通过CAN 模式，直接读取原机柴油电子控制单元4的转速信号、油门信号、冷却液温度信号，判断发动机工况，在上位机11的甲醇喷射控制界面里修改电控三通冷却水阀门8的开度以改变进气温度，修改喷油提前角，修改甲醇喷射脉宽从而控制甲醇喷射量，喷射甲醇后发动机的调速机构自动改变柴油的循环供油量，使发动机转速和扭矩与纯柴油模式相同，三个参数全面协调后标定出不同负荷下的最佳进气温度、甲醇喷射MAP和喷油提前角；

步骤3：安装于冷却水进水管路上旁通管路的手阀常闭，连接冷却水进、出水管路的旁通管路上的手阀常开；甲醇电子控制单元从柴油电子控制单元读取发动机工作负荷参数，从进气温度传感器读取温度参数，当发动机运行于50％负荷以下的工况时(含50％负荷)，对电控三通冷却水阀门发出指令，减少进入空气冷却器的冷却水流量，通过闭环控制，调节喷醇器总成前的温度至提前标定好的最佳温度值；

步骤4：当电控三通冷却水阀门发生故障时，可首先关闭甲醇系统开关，进气温控系统随之关停，这时打开安装于冷却水进水管路上旁通管路的第一手阀，关闭连接出水管路的旁通管路上的第二手阀，即可恢复空气冷却器冷却水管路至改装前状态，不影响发动机在纯柴油模式下正常工作。

本发明并不限于上文讨论的实施方式，以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案，基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法,以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。