一种船用双燃料发动机控制方法及控制系统与流程

1.本发明涉及船用动力控制技术领域，具体涉及一种船用双燃料发动机控制方法及控制系统。


背景技术：

2.为降低船用柴油机的排放，改善大气污染状况，国际海事组织(imo)已于2016年开始实施tierⅲ排放法规。2016年9月1日，环境保护部与国家质量监督检疫总局联合发布《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》，要求我国在六年内分两步提高国内航行船舶发动机的排放标准，进一步加强船舶污染物排放控制。从目前国内发动机发展形势看，为达到法律法规对经济性与排放性能要求，多点喷射的双燃料机技术已成为实现排放目标的重要手段。而如何提升双燃料发动机电控系统的可靠性也是当前研究热点。
3.现有双燃料发动机中，通常需要对曲轴转速和凸轮转速进行监测，以便用于后续控制单元的时序信号，如公开号为cn113062813a的中国专利中利用曲轴和凸轮转速信号获得发动机控制单元时序信号的技术方案，可见曲轴转速和凸轮转速信号的准确性十分重要，但由于发动机工作的现场环境复杂，可能出现震动、电磁干扰等情况，影响转速信号的准确性，为后续发动机可靠控制带来风险。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，提供一种船用双燃料发动机控制方法及控制系统。
5.为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种船用双燃料发动机控制方法包括：获取曲轴转速信号和凸轮转速信号，对曲轴转速信号和/或凸轮转速信号进行滤波处理，所述滤波处理包括步骤a、步骤b、步骤c三个步骤中至少一个；步骤a，基于待滤波信号的历史脉冲齿获取待滤波信号的脉冲齿目标周期/脉冲齿目标频率，基于当前脉冲齿获取脉冲齿实时周期/脉冲齿实时频率，若脉冲齿目标周期与脉冲齿实时周期之比大于第一阈值，或者，脉冲齿目标频率与脉冲齿实时频率之比小于第二阈值，滤除当前脉冲齿；步骤b，基于待滤波信号的历史脉冲齿获取待滤波信号的脉冲齿目标间隔时间，获取上一脉冲齿发生时间，若在上一脉冲齿发生时间之后超过所述脉冲齿目标间隔时间还未接收到新的脉冲齿，在上一脉冲齿发生时间之后的脉冲齿目标间隔时间点补齐脉冲齿；步骤c，基于待滤波信号的历史脉冲齿获取待滤波信号的脉冲齿目标间隔时间，若在上一脉冲齿发生时间后的脉冲齿目标间隔时间点出现脉冲宽度小于预设宽度的脉冲齿，延展所述脉冲齿的脉冲宽度至预设宽度；基于曲轴转速信号和凸轮转速信号获得时序信号，基于所述时序信号进行发动机运行控制。
6.上述技术方案：对曲轴转速信号和凸轮转速信号进行实时滤波处理，步骤a能够滤除低电平窄周期干扰信号，步骤b能够对信号缺失进行补齐，步骤c能够滤除高电平脉冲上
的窄周期干扰信号，防止由于振动、电磁干扰等产生的异常脉冲信号影响发动机系统的时序控制，保证发动机运行正常，提高了控制系统的抗干扰性和可靠性。
7.在本发明的一种优选实施方式中，还包括替代率控制步骤，具体包括：根据当前目标替代率、燃气热值和燃烧效率，计算获得执行燃气喷射量和燃油喷射量；根据执行燃气喷射量、燃气压力、进气压力查询map获取燃气喷射阀控制脉宽并执行驱动；根据燃油喷射量、转速、轨压压力计算获取燃油控制脉宽并执行驱动。
8.上述技术方案：提供了双燃料工作模式下的替代率控制方法，采用计算理论油量，油、气根据目标替代率动态分配的方法，相比传统通过步长逐渐增加燃气脉宽的方式，可有效提高发动机的瞬态响应。
9.在本发明的一种优选实施方式中，还包括替代率步长控制步骤，具体包括：
10.设置替代率变化限值，替代率每次步进的变化量低于所述替代率变化限值。
11.上述技术方案：防止替代率突变导致发动机机械负荷剧烈变化损坏机器，设置替代率变化率限制，尤其是在进入或退出双燃料模式的阶段，保证发动机始终处于良好的工作状态。
12.在本发明的一种优选实施方式中，还包括替代率限制步骤，具体包括：发动机在双燃料模式下，实时采集发动机爆震信号，当所述爆震信号大于预设的爆震阈值时，降低目标替代率。
13.上述技术方案：当爆震加剧，主控单元将自动降低目标替代率，防止发动机损坏。
14.为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种基于本发明第一方面所述的船用双燃料发动机控制方法的控制系统，包括冗余主控模块，分别与所述冗余主控模块连接的监控单元、节气门、电控单体泵或电控喷油器、燃气控制单元、曲轴转速传感器、凸轮转速传感器，以及分别与所述监控单元连接的燃气调压阀、燃气喷射阀、安装于发动机缸体之间的爆震传感器、燃气压力传感器、轨压压力传感器。
15.上述技术方案：该控制系统对曲轴转速信号和凸轮转速信号进行实时滤波处理，防止由于振动、电磁干扰等产生的异常脉冲信号影响发动机系统的时序控制，保证发动机运行正常，提高了控制系统的抗干扰性和可靠性。改进了现有电控共轨、电控单体泵或电控泵喷嘴供油的双燃料发动机的电控系统和控制方法存在的问题，能够在工程化应用中性能更加优秀、可靠。
16.在本发明的一种优选实施方式中，所述冗余主控模块包括第一主控单元、第二主控单元和驱动隔离单元；所述第一主控单元分别与监控单元和驱动隔离单元连接，驱动隔离单元还与电控单体泵和电控喷油器连接；所述第二主控单元分别与监控单元和驱动隔离单元连接。
17.上述技术方案：第一主控单元、第二主控单元在供电、输入、输出完全独立，互不影响，当一个主控单元出现故障，不会对另外一个主控单元产生危害，在一个主控单元损坏的情况下，发动机仍可以正常运行，进行主控单元冗余结构设计，第一主控单元、第二主控单元还可以共享外部传感器和驱动外部执行器，提高控制系统的可靠性。
18.在本发明的一种优选实施方式中，还包括信号隔离模块，所述信号隔离模块的输入端分别与曲轴转速传感器的输出端和凸轮转速传感器的输出端连接，信号隔离模块的输出端分别与第一主控单元的输入端、第二主控单元的输入端和燃气控制单元的输入端连
接。
19.上述技术方案：通过信号隔离模块能够隔离电磁干扰，提高信号可靠性。
20.在本发明的一种优选实施方式中，还包括通讯单元和安保单元，所述通讯单元、安保单元、第一主控单元、第二主控单元、燃气控制单元通过冗余can总线连接通信。
21.上述技术方案：通过通讯单元实现与远程服务器的信息交互，通过can总线进行冗余连接设计，提高控制系统内部的通信可靠性。
22.在本发明的一种优选实施方式中，还包括冗余供电单元，所述冗余供电单元为所述控制系统提供电源。
23.上述技术方案：冗余供电单元作为系统供电电源，在有一路供电出现故障的情况下，仍可保证系统正常运行，提高系统可靠性。
附图说明
24.图1是本发明一种优选实施方式中船用双燃料发动机控制方法的流程示意图；
25.图2是本发明一种优选实施方式中干扰信号示意图；
26.图3是本发明一种优选实施方式中控制系统的系统架构图；
27.图4是本发明一种优选实施方式中冗余主控模块的架构示意图。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
31.本发明公开了一种船用双燃料发动机控制方法，在一种优选实施方式中，如图1所示，包括：
32.步骤s1，获取曲轴转速信号和凸轮转速信号，对曲轴转速信号和/或凸轮转速信号进行滤波处理，滤波处理包括步骤a、步骤b、步骤c三个步骤中至少一个。在双燃料发动机中，一般具有一个以上曲轴转速传感器和一个以上凸轮转速传感器，可以仅对全部或部分的曲轴转速信号进行滤波处理，也可仅对全部或部分的凸轮转速信号进行滤波处理，还可以对曲轴转速信号和凸轮转速信号均进行滤波处理。滤波处理可以包括步骤a、步骤b、步骤c中任意一个步骤或任意两个步骤的组合或三个步骤的任意顺序组合。曲轴转速信号和凸轮转速信号波形为图2所示的脉冲波形，正常情况下，脉冲波形上周期分布有脉冲齿，在振
动、电磁干扰等影响下，产生如图2中的c1、c3等干扰脉冲齿，影响发动机控制可靠性。
33.步骤a，基于待滤波信号的历史脉冲齿获取待滤波信号的脉冲齿目标周期/脉冲齿目标频率，基于当前脉冲齿获取脉冲齿实时周期/脉冲齿实时频率，若脉冲齿目标周期与脉冲齿实时周期之比大于第一阈值，或者，脉冲齿目标频率与脉冲齿实时频率之比小于第二阈值，滤除当前脉冲齿，如图2中的c1脉冲齿。待滤波信号为曲轴转速信号/凸轮转速信号。优选地，第一阈值和第二阈值均为1。步骤a针对待滤波信号的低电平脉冲上出现窄周期相位干扰信号(c1)，由于发动机转速在两个脉冲齿之间不会发生突变，可根据前一脉冲计算的发动机瞬时转速,预计正常相位信号脉冲的周期或频率(即脉冲齿目标周期或脉冲齿目标频率)，若脉冲齿目标周期与脉冲齿实时周期之比大于第一阈值，或者，脉冲齿目标频率与脉冲齿实时频率之比小于第二阈值，则认为其是干扰齿，将干扰齿滤除。
34.步骤b，基于待滤波信号的历史脉冲齿获取待滤波信号的脉冲齿目标间隔时间，获取上一脉冲齿发生时间，若在上一脉冲齿发生时间之后超过脉冲齿目标间隔时间还未接收到新的脉冲齿，在上一脉冲齿发生时间之后的脉冲齿目标间隔时间点补齐脉冲齿，即在上一脉冲齿发生时间之后的正常脉冲应该出现时间点补齐脉冲齿，如图2所示，补齐脉冲齿c2。步骤b针对脉冲信号缺失(如图2中缺失的脉冲齿c2)，由于发动机转速在两个信号脉冲齿之间不会发生突变，可根据前一脉冲齿计算发动机瞬时转速v，和前两个脉冲齿计算发动机加速度a，根据信号齿盘两个齿之间的间隔角度，预计下一个脉冲齿应该发生的时间，如果超出预设的容忍范围，会自动补齐脉冲齿c2。
35.步骤c，基于待滤波信号的历史脉冲齿获取待滤波信号的脉冲齿目标间隔时间，若在上一脉冲齿发生时间后的脉冲齿目标间隔时间点出现脉冲宽度小于预设宽度的脉冲齿，延展该脉冲齿的脉冲宽度至预设宽度。步骤c主要针对图2中脉冲齿c3，该脉冲齿的高电平宽度(即脉冲宽度)低于正常高电平宽度，即预设脉宽，可以将这个窄周期脉冲齿的宽度延展到预设脉宽。如图2所示，步骤c针对信号高电平脉冲上出现窄周期相位干扰信号(c3)，由于发动机转速在两个信号脉冲之间不会发生突变，可根据前一脉冲齿计算的发动机瞬时转速v，和前两个脉冲齿计算的发动机加速度a，计算下一脉冲齿的周期t1，当计算发现在合理的位置范围内上出现了窄周期(t0)脉冲(c3)，会自动延展高电平时间，使该脉冲周期为t1，该周期内出现的其它脉冲将不做处理。
36.步骤s2，基于曲轴转速信号和凸轮转速信号获得时序信号，基于时序信号进行发动机运行控制。任一曲轴转速传感器输出的曲轴转速信号和任一凸轮转速传感器输出的凸轮转速信号均可组成相位信号，用作时序控制，同时，当其中有一组信号出现故障的情况下，控制系统可快速切换到另外几组信号进行燃料喷射控制，提高电控系统可靠性。
37.在本实施方式中，优选地，该包括如下相位冗余容错控制：
38.(1)上电工作后，如图3和图4所示，控制系统的第一主控单元、第二主控单元、燃气控制单元根据一组相位判定信号(包括1路曲轴转速传感器信号和1路凸轮转速传感器信号)进行相位计算和驱动时刻计算。
39.(2)运行过程中，第一主控单元、第二主控单元、燃气控制单元对4路转速信号实时监控诊断，诊断方法包含信号组内判断和相同信号判断。信号组内(1路曲轴转速传感器信号和1路凸轮转速传感器信号)判断方式是通过2路转速信号特征齿的位置关系计算值与实际机械安装位置进行比较，如果不一致，则认为该组信号不能作为驱动控制信号，需切换到
其他可用信号组；相同信号判断依据是由于2路曲轴转速传感器信号都是基于1个曲轴信号盘产生，因此曲轴1转速传感器信号与曲轴2转速传感器信号(凸轮传感器信号与其类似)的频率一致，当曲轴1转速传感器信号连续n次以上中断(n个齿的曲轴角度≤720/缸数)发现曲轴2转速传感器信号没有产生中断，则认为曲轴2转速传感器信号错误。另外，每一发火循环都会进行相位校正，保证相位计算及驱动时刻的精确。
40.(3)在诊断发现异常后，第一主控单元、第二主控单元、燃气控制单元会提示相应通道的传感器信号出现问题，以便进行问题排查。
41.(4)如果是曲轴或凸轮转速传感器问题，可实现不停机更换模块。更换后，第一主控单元、第二主控单元、燃气控制单元实时监控报警消除，在整个过程中，不影响发动机正常运行。
42.在一种优选实施方式中，还包括替代率控制步骤，具体包括：
43.步骤ⅰ，根据当前目标替代率、燃气热值和燃烧效率，计算获得执行燃气喷射量和燃油喷射量。根据目标转速和实际转速，闭环计算发动机理论燃油油量获得双燃料发动机的目标替代率。
44.步骤ⅱ，根据执行燃气喷射量、燃气压力、进气压力查询map获取燃气喷射阀控制脉宽并执行驱动；map是指发动机在各种工况下所需的点火控制曲线图，称为map图。
45.步骤ⅲ，根据燃油喷射量、转速、轨压压力计算获取燃油控制脉宽并执行驱动。
46.在本实施方式中，优选地，还包括替代率步长控制步骤，具体包括：设置替代率变化限值，替代率每次步进的变化量低于替代率变化限值。
47.在本实施方式中，优选地，还包括替代率限制步骤，具体包括：发动机在双燃料模式下，实时采集发动机爆震信号，当爆震信号大于预设的爆震阈值时，降低目标替代率。
48.本发明还公开了一种基于上述船用双燃料发动机控制方法的控制系统，在一种优选实施方式中，如图3所示，该控制系统包括冗余主控模块，分别与冗余主控模块连接的监控单元、节气门、电控单体泵或电控喷油器、燃气控制单元、曲轴转速传感器、凸轮转速传感器，以及分别与监控单元连接的燃气调压阀、燃气喷射阀、安装于发动机缸体之间的爆震传感器、燃气压力传感器、轨压压力传感器。
49.在本实施方式中，当发动机为共轨工作时，该控制系统包括电控喷油器，当发动机为非共轨工作时，该控制系统包括电控单体泵。该控制系统还包括设置于发动机上的气体管路和燃油管路上的多个压力传感器和温度传感器。
50.在本实施方式中，燃气控制单元根据主控模块的指令，完成燃气喷射控制。轨压压力传感器用于检测共轨管内的油压。进一步优选地，该控制系统还包括安装于发动机排气管内的氧浓度传感器，氧浓度传感器与监控单元连接。氧浓度传感器、爆震传感器等为系统控制提供反馈信息，并通过人机交互界面，为操作人员提供提示，同时，通过调节燃气调压阀控制气轨压力，提高发动机运行稳定性。
51.在本实施方式中，优选地，如图4所示，冗余主控模块包括第一主控单元、第二主控单元和驱动隔离单元；第一主控单元分别与监控单元和驱动隔离单元连接，驱动隔离单元还与电控单体泵和电控喷油器连接；第二主控单元分别与监控单元和驱动隔离单元连接。在一个主控单元损坏的情况下，发动机仍可以正常运行。
52.在本实施方式中，优选地，还包括信号隔离模块，信号隔离模块的输入端分别与曲
轴转速传感器的输出端和凸轮转速传感器的输出端连接，信号隔离模块的输出端分别与第一主控单元的输入端、第二主控单元的输入端和燃气控制单元的输入端连接。
53.在本实施方式中，优选地，还包括通讯单元和安保单元，通讯单元、安保单元、第一主控单元、第二主控单元、燃气控制单元通过冗余can总线连接通信。通讯单元优选但不限于为北斗通讯单元，控制系统的运行信息基于通讯单元传输到服务器存储，有利于发动机维护。独立的安保单元只采集关键的独立安保传感器，保证发动机或电控系统出现严重故障时，能够迅速的断油、断气停机。冗余can总线连接系统内各个单元，实现系统内部信息可靠、迅速的共享。
54.在本实施方式中，优选地，还包括冗余供电单元，冗余供电单元为控制系统提供电源。冗余供电单元包括dc24v和ac220v两路电源输入，ac220v输入的电源具有交直转换模块，交直转换模块将ac220v转换为dc24v为控制系统各模块供电。每路电源设置有断路检测模块和低压检测模块，当一路电源输入出现断路、低压等故障影响系统正常工作时，自动切换到另一路电源输入工作，保证系统的可靠工作。
55.在本实施方式中，控制系统的主要控制过程包括发动机运行状态管理、燃料喷射控制、发动机运行控制。
56.发动机运行状态管理包括起动、纯油运行、双燃模式运行、停机、故障停机以及紧急停机等。每个状态间的切换都需要满足一定阈值条件。例如，纯油切换到双燃模式下运行，需要在发动机转速，天然气压力等达到设定阈值，同时按下双燃模式按钮，发动机才会进入双燃运行模式。
57.燃料喷射控制是基于相位传感器采集的发动机信号齿盘，进行时序计算，控制燃料喷射系统定时定量的完成燃料喷射。其核心部件是曲轴、凸轮的转速传感器、燃油控制单元和燃气控制单元。
58.发动机运行控制主要包括各缸均匀性控制、转速控制和替代率控制。运行控制中，重要的计算参数包括各缸不均匀度、理论燃油喷射量、燃气压力、爆震等。各缸不均匀度是基于发动机排气温度进行计算，并依据不均匀度，适当的调整理论燃油喷射量，进行不均匀控制。其中，理论燃油喷射量在纯油模式下只是燃油油量，在双燃模式下则是按替代率分配的燃油油量和燃气气量。转速控制在纯油模式下采用常规的闭环控制算法，根据目标转速和实际转速，闭环计算发动机燃油油量。在双燃料模式运行下，转速控制与替代率控制需要协调处理。
59.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
60.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。