LNG双燃料船舶混合能源优化与动力智能调校系统的制作方法

lng双燃料船舶混合能源优化与动力智能调校系统
技术领域
1.本发明涉及lng双燃料船舶的能源优化技术和动力调校技术，具体涉及了lng双燃料船舶混合能源优化与动力智能调校系统。


背景技术：

2.lng双燃料动力船舶在近年来随着科技的发展逐步走向新一代船舶制造业，lng燃料替代率成为了技术攻关、lng新型船舶推广应用的关键所在，也是推广绿色能源应用的必然趋势。柴油发动机是近几十年来船舶的主要驱动动力，由于柴油燃烧产生的大气污染严重，急需新技术、新能源去打破这一局面，lng双燃料发动机产生是一个历史性机遇。lng双燃料船舶发动机从汽车发动机发展而来，在技术上与汽车发动机技术改变不大。发动机ecu很难适配全国所有内河航道，导致因航道不同、水情不同等因素造成lng燃料替代率出现很大差距。当前急需一种能够按内河航道、水情等因素来适配船舶发动机的ecu调校技术和装备，提升lng燃料替代率，而国内外相关技术还存在一定局限。如中国专利申请号为201310586455.1公开的一种柴油-lng双燃料发动机管理系统检测装置及其检测方法，通过人为改变各传感器的感知物理量或是采用信号发生器对发动机运行的参数进行模拟，ecu根据检测到的ad量控制继电器等执行器动作，同时配合触摸信息显示屏进行实时参数监控，可实现对控制单元ecu、远程操控与信息触摸屏和安防管控模块等的检验，适用于任意柴油-lng双燃料发动机管理系统的测试。如中国专利申请号为201110462238.2公开的内河船舶柴油-lng双燃料发动机管理系统，通过在原内河船舶母体柴油机上增加中央管理系统、lng供气与喷射系统、安全监测与处置系统和远程控制与信息系统，设计了纯柴油运行模式和柴油-lng双燃料运行模式，发动机刚启动时采用纯柴油模式运行，当燃气系统开始做工，母体柴油机自动减少柴油供给，中央管理系统逐步增加天然气喷射量，通过采样计算转速波动率、空燃比及燃烧温度的动态数据，自动解析出最佳燃气替代率，实现实时最优控制，燃气替代率可达85％，可用于任何柴油掺烧天然气发动机的控制。
3.以上技术没有解决的问题有：（1）只做ecu监测，或直接开发ecu，当ecu装船后，不能按照航道、水情实际情况来调整ecu配置；（2）未能解决lng双燃料最优配比问题。因此，开展lng双燃料船舶混合能源优化与动力智能调校研究十分必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种安装方便的lng双燃料船舶混合能源优化与动力智能调校系统，船舶在航行时使用该系统，能够在现场环境下将lng双燃料发动机的性能调到最佳，并实现油气比的最优使用，降低耗油率。
5.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：lng双燃料船舶混合能源优化与动力智能调校系统，主要由嵌入式主控主板、电源模块、调校模块、北斗与gps模块、电脉冲信号发生器单元、接口模块和触摸液晶显示模块构成；所述的嵌入式主控主板分别与电源模块、调校模块、北斗与gps模块、电脉冲信号发生器
单元、接口模块、触摸液晶显示模块相连接；所述的电源模块与触摸液晶显示模块相连接；所述的电脉冲信号发生器单元与接口模块相连接。
6.所述的主控主板固化集成了存储模块、运算模块和内存模块；所述的电脉冲信号发生器单元包括油门控制模块和天然气控制模块；所述的调校模块包括ecu读写模块、混合能源优化模块和动力调校模块。
7.所述的接口模块采用232+485双模芯片，集成rs-485、rs-232接口，波特率为300-921600bps，具备自动控制数据传输能力，用于对接船舶发动机ecu，能够读取ecu的数据，并向ecu发送、写入数据；所述的北斗与gps模块支持北斗1、北斗2，单点定位精度达到2.0m，测向精度达到0.2
°
（1m基线），测速精度达到0.1m/s，负责实时采集航道位置信息和系统授时；所述的触摸液晶显示模块采用7寸iic触摸液晶显示屏，负责显示调校和优化的过程数据和结果数据，提供虚拟键盘，能够人工输入供油数值和供气数值。
8.所述的电脉冲信号发生器单元向船舶发动机的喷油器、lng进气嘴提供一定宽度的电脉冲信号，以控制喷油量、进气量。所述的油门控制模块接收调校模块指令，与电脉冲信号发生器形成一定宽度的电脉冲信号，通过接口模块将电脉冲信号发送到ecu，实现喷油量控制。所述的天燃气控制模块接收调校模块指令，与电脉冲信号发生器形成电脉冲信号，通过接口模块将电脉冲信号发送到ecu，实现进气量控制。
9.所述的存储模块采用32g flash存储芯片，存储的是嵌入式操作系统、动力模型、油气比模型、航道与水情模型；所述的运算模块采用嵌入式微处理器；所述的内存模块采用内置ram内存卡。
10.在本发明中，调校单元通过接口模块从船舶发动机ecu中读取工况数据，包括实时发动机转速、发动机转速阀值、实时航速、运行时长、温度、实时油耗、累计油耗、实时用气量、累计用气量等，同时从北斗与gps模块获取航道位置信息；动力调校模块根据原始的发动机转速阀值和航道位置信息建立初始动力模型。在初始动力模型中依次调整发动机转速阀值，针对不同的阀值，通过运算模块计算出进油量与进气量，进油量传送到油门控制模块，在油门控制模块生成油门控制指令；进气量传送到天然气控制模块，在天然气控制模块生成天然气控制指令；两种指令在电脉冲信号发生器生成对应的进油量信号和进气量信号；两种信号从接口模块传送到ecu，控制发动机改变进油量和进气量，同时继续读取发动机工况数据。不断改变发动机转速阀值与对应的进油量、进气量，直到发动机转速达到相对极值，即在这一状态下，无论是加油还是加气都不能再提高转速。此时该极值即作为新的发动机转速阀值，将该阀值替换掉初始动力模型的阀值，并将新的动力模型存入存储模块，同时通过ecu读写模块写入ecu，完成动力调校。
11.在本发明中，混合能源优化在动力调校完成后开始。混合能源优化模块从存储模块中读取动力模型，在发动机转速阀值范围内，建立初始油气比模型。在维持相同发动机转速的情况下，计算出不同的油气比，并根据不同的油气比依次控制电脉冲信号发生单元生成进油量和进气量的电脉冲信号，再通过油门控制模块、天然气控制模块和接口模块改变发动机的进油量和进气量。为了降低燃油消耗，同样的发动机转速下，油气比越低越好。测出最低油气比后，将其与当前的发动机转速、水情数据、航道数据、船舶航行数据关联起来，更新油气比模型。当发动机各级别转速与其对应的最低油气比均测试完毕，形成最终的油
气比模型，将其存入存储模块中，完成混能能源优化调校。
12.在本发明中，触摸液晶显示模块实时显示调校过程的数据，同时显示虚拟键盘，可以人工输入调校数据，干预调校过程。
13.与现有技术相比较，本发明具备的优点：1.安装简单，不需要重新编写ecu程序；2.使用简单，船舶在同一航道行驶两至三次，就能在该航道的水情环境下使船舶发动机的动力达到最优；3.根据调校后的油气比模型，能够使船舶尽可能使用lng天然气，极大降低燃油使用率。
附图说明
14.图1是本发明的结构框架示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明的保护范围不局限于以下实施例。
16.实施例：如图所示，lng双燃料船舶混合能源优化与动力智能调校系统，主要由嵌入式主控主板、电源模块、调校模块、北斗与gps模块、电脉冲信号发生器单元、接口模块和触摸液晶显示模块构成；所述的嵌入式主控主板分别与电源模块、调校模块、北斗与gps模块、电脉冲信号发生器单元、接口模块、触摸液晶显示模块相连接；所述的电源模块与触摸液晶显示模块相连接；所述的电脉冲信号发生器单元与接口模块相连接。
17.所述的主控主板固化集成了存储模块、运算模块和内存模块；所述的电脉冲信号发生器单元包括油门控制模块和天然气控制模块；所述的调校模块包括ecu读写模块、混合能源优化模块和动力调校模块。
18.所述的接口模块采用232+485双模芯片，集成rs-485、rs-232接口，波特率为300-921600bps，具备自动控制数据传输能力，用于对接船舶发动机ecu，能够读取ecu的数据，并向ecu发送、写入数据；所述的北斗与gps模块支持北斗1、北斗2，单点定位精度达到2.0m，测向精度达到0.2
°
（1m基线），测速精度达到0.1m/s，负责实时采集航道位置信息和系统授时；所述的触摸液晶显示模块采用7寸iic触摸液晶显示屏，负责显示调校和优化的过程数据和结果数据，提供虚拟键盘，能够人工输入供油数值和供气数值。
19.所述的电脉冲信号发生器单元向船舶发动机的喷油器、lng进气嘴提供一定宽度的电脉冲信号，以控制喷油量、进气量。
20.在本实施例中，电脉冲信号发生器的通道数为4，输出阻抗为50ohm nominal，基线偏置分辨率为2mv，幅度范围10 mvpp to 5vpp，最大频率500mhz,周期范围10ps。
21.所述的油门控制模块接收调校模块指令，与电脉冲信号发生器形成一定宽度的电脉冲信号，通过接口模块将电脉冲信号发送到ecu，实现喷油量控制。所述的天燃气控制模块接收调校模块指令，与电脉冲信号发生器形成电脉冲信号，通过接口模块将电脉冲信号
发送到ecu，实现进气量控制。
22.所述的存储器采用32g flash存储芯片，存储的是嵌入式操作系统、动力模型、油气比模型、航道与水情模型；所述的运算模块采用嵌入式微处理器；所述的内存模块采用内置ram内存卡。
23.在本发明中，调校单元通过接口模块从船舶发动机ecu中读取工况数据，包括实时发动机转速、发动机转速阀值、实时航速、运行时长、温度、实时油耗、累计油耗、实时用气量、累计用气量等，同时从北斗与gps模块获取航道位置信息；动力调校模块根据原始的发动机转速阀值和航道位置信息建立初始动力模型。在初始动力模型中依次调整发动机转速阀值，针对不同的阀值，通过运算模块计算出进油量与进气量，进油量传送到油门控制模块，在油门控制模块生成油门控制指令；进气量传送到天然气控制模块，在天然气控制模块生成天然气控制指令；两种指令在电脉冲信号发生器生成对应的进油量信号和进气量信号；两种信号从接口模块传送到ecu，控制发动机改变进油量和进气量，同时继续读取发动机工况数据。不断改变发动机转速阀值与对应的进油量、进气量，直到发动机转速达到相对极值，即在这一状态下，无论是加油还是加气都不能再提高转速。此时该极值即作为新的发动机转速阀值，将该阀值替换掉初始动力模型的阀值，并将新的动力模型存入存储模块，同时通过ecu读写模块写入ecu，完成动力调校。
24.在本发明中，混合能源优化在动力调校完成后开始。混合能源优化模块从存储模块中读取动力模型，在发动机转速阀值范围内，建立初始油气比模型。在维持相同发动机转速的情况下，计算出不同的油气比，并根据不同的油气比依次控制电脉冲信号发生单元生成进油量和进气量的电脉冲信号，再通过油门控制模块、天然气控制模块和接口模块改变发动机的进油量和进气量。为了降低燃油消耗，同样的发动机转速下，油气比越低越好。测出最低油气比后，将其与当前的发动机转速、水情数据、航道数据、船舶航行数据关联起来，更新油气比模型。当发动机各级别转速与其对应的最低油气比均测试完毕，形成最终的油气比模型，将其存入存储模块中，完成混能能源优化调校。
25.触摸液晶显示模块实时显示调校过程的数据，同时显示虚拟键盘，可以人工输入调校数据，干预调校过程。在本实施例中，触摸液晶屏的分辨率为1024*600，并行24位rgb接口，触摸类型为电容触摸，触摸点数为5点。
26.可以利用同一航道、同一水情下的发动机历史工况数据提高调校效率，降低调校时间。
27.北斗与gps模块负责定位航道信息，当切换航道时，由于水情不同，自动针对新航道重新进行调校。
28.使用本发明时，将本发明安装在lng双燃料船舶的发动机ecu旁，将ecu的接口与本发明的接口模块相连接。船舶在航道中航行时启动本发明，调校完毕后将按照新的动力模型和最优油气比模型控制发动机运行。
29.本发明使用方便，可针对不同航道、不同水情、不同季节随时进行调校，使发动机始终处于最佳动力运行状态和能源配比最优状态。