船用双直喷发动机系统及其控制方法

本发明涉及发动机，尤其涉及一种船用双直喷发动机系统及其控制方法。

背景技术：

1、甲醇具有低碳、辛烷值高、含氧量高、低污染和无排烟等特点，已逐步被航运界公认为是一种理想的新型清洁可再生燃料。目前，甲醇燃料在船用发动机中的主流应用方式为dmcc模式，即甲醇由进气管喷入，柴油直喷引燃甲醇混合气。然而，在dmcc模式下，甲醇替代率严重受限于运行工况，难以在保证混合气可靠着火与稳定燃烧的前提下，实现宽广工况运行范围内的高甲醇替代率。另外，甲醇汽化潜热高、火焰传播速度快，且与柴油相互作用复杂，低负载下易出现燃料-空气的过度混合，高负载下易出现燃烧粗暴，要实现全工况范围内的清洁、高效、可控燃烧较为困难。因此，以上技术问题亟需解决。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题的至少之一，本发明提出一种船用双直喷发动机系统及其控制方法，能够实现发动机在宽工况范围内的清洁、高效、可控燃烧，有效缓解了运行工况受限的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种船用双直喷发动机系统，包括：

3、甲醇供给模块，所述甲醇供给模块用于提供甲醇；

4、柴油供给模块，所述柴油供给模块用于提供柴油；

5、发动机，所述发动机包括进气歧管、排气歧管以及燃料输入端，所述燃料输入端分别与所述甲醇供给模块以及所述柴油供给模块连接，所述发动机用于对输入的所述柴油和所述甲醇进行燃烧；

6、甲醇裂解模块，所述甲醇裂解模块包括裂解输入端以及裂解输出端，所述裂解输入端与所述甲醇供给模块连接，所述裂解输出端与所述进气歧管连接，所述甲醇裂解模块用于对输入的所述甲醇进行裂解反应，得到甲醇裂解气体，并通过所述进气歧管输入所述发动机；

7、废气再循环模块，所述废气再循环模块包括废气输入端、第一废气输出管路和第二废气输出管路，所述废气输入端与所述排气歧管连接，所述第一废气输出管路与所述进气歧管连接，所述第二废气输出管路用于排出所述发动机产生的废气。

8、根据本发明的一些实施例，所述甲醇供给模块，包括：

9、甲醇罐，所述甲醇罐用于存储和输出所述甲醇；

10、预设甲醇泵，所述预设甲醇泵包括甲醇泵输入端和甲醇泵输出端，所述甲醇泵输入端与所述甲醇罐连接，所述预设甲醇泵用于为所述甲醇罐提供压力，以将所述甲醇罐中的甲醇输出；

11、第一截止阀，所述第一截止阀包括第一截止输入端和第一截止输出端，所述第一截止输入端与所述甲醇泵输出端连接，所述第一截止阀用于控制所述甲醇供给模块的第一工作状态；

12、甲醇流量计，所述甲醇流量计包括第一流量计输入端和第一流量计输出端，所述第一流量计输入端与所述第一截止输出端连接，所述甲醇流量计用于测量和调节所述甲醇的输出量；

13、甲醇共轨子模块，所述甲醇共轨子模块包括第一共轨输入端和第一共轨输出端，所述第一共轨输入端与所述第一流量计输出端连接，所述甲醇共轨子模块用于控制和调节甲醇输出状态；

14、预设甲醇喷射器，所述预设甲醇喷射器包括甲醇喷射端和第一喷射器输入端，所述第一喷射器输入端与所述第一共轨输出端连接，所述甲醇喷射端用于将所述甲醇喷射到所述发动机的气缸。

15、根据本发明的一些实施例，所述柴油供给模块，包括：

16、柴油罐，所述柴油罐用于存储和输出所述柴油；

17、预设柴油泵，所述预设柴油泵包括柴油泵输入端和柴油泵输出端，所述柴油泵输入端与所述柴油罐连接，所述预设柴油泵用于为所述柴油罐提供压力，以将所述柴油罐中的柴油输出；

18、第二截止阀，所述第二截止阀包括第二截止输入端和第二截止输出端，所述第二截止输入端与所述柴油泵输出端连接，所述第二截止阀用于控制所述柴油供给模块的第二工作状态；

19、柴油流量计，所述柴油流量计包括第二流量计输入端和第二流量计输出端，所述第二流量计输入端与所述第二截止输出端连接，所述柴油流量计用于测量和调节所述柴油的输出量；

20、柴油共轨子模块，所述柴油共轨子模块包括第二共轨输入端和第二共轨输出端，所述第二共轨输入端与所述第二流量计输出端连接，所述柴油共轨子模块用于控制和调节柴油输出状态；

21、预设柴油喷射器，所述预设柴油喷射器包括柴油喷射端和第二喷射器输入端，所述第二喷射器输入端与所述第二共轨输出端连接，所述柴油喷射端用于将所述柴油喷射到所述发动机的气缸。

22、根据本发明的一些实施例，所述系统还包括：

23、涡轮增压器，所述涡轮增压器包括第一进气端、第一出气端、第二进气端以及第二出气端，第二进气端与所述第二废气输出管路连接，所述第一进气端用于输入空气，所述第二出气端用于排出废气；

24、废气空气混合器，所述废气空气混合器包括第一混合输入端、第二混合输入端以及第一混合输出端，所述第一混合输入端与所述第一出气端连接，所述第二混合输入端通过废气循环阀与所述第一废气输出管路连接，所述废气空气混合器用于将涡轮增压器获取的空气与废气进行混合，得到第一混合气体；

25、甲醇裂解气混合器，所述甲醇裂解气混合器包括第三混合输入端、第四混合输入端以及第二混合输出端，所述第三混合输入端与所述第一混合输出端连接，所述第四混合输入端通过裂解气阀与所述裂解输出端连接，所述甲醇裂解气混合器用于将所述第一混合气体与所述甲醇裂解气体混合，得到目标混合气体；

26、中冷器，所述中冷器包括中冷输入端和中冷输出端，所述中冷输入端与所述第二混合输出端连接，所述中冷输出端与所述进气歧管连接，所述中冷器用于将所述目标混合气体进行冷却。

27、另一方面，本发明实施例还提供了一种船用双直喷发动机系统的控制方法，应用于上述船用双直喷发动机系统的控制系统，包括：

28、获取预设发动机参数；其中，所述预设发动机参数包括发动机转速、发动机期望功率以及发动机额定功率；

29、根据所述发动机转速、所述发动机期望功率以及所述发动机额定功率确定发动机工况模式；

30、根据所述发动机工况模式控制预设控制模块的工作状态，以调整发动机运行状态；其中，所述预设控制模块包括甲醇裂解模块、废气再循环模块、甲醇供给模块以及柴油供给模块。

31、根据本发明的一些实施例，所述根据所述发动机转速、所述发动机期望功率以及所述发动机额定功率确定发动机工况模式，包括：

32、当确定所述发动机转速为零时，确定所述发动机工况模式为冷启动工作模式；

33、或者，当确定所述发动机转速不为零，且所述发动机期望功率小于或等于所述发动机额定功率的第一阈值，确定所述发动机工况模式为低负载工况模式；

34、或者，当确定所述发动机转速不为零，所述发动机期望功率大于所述第一阈值，且所述发动机期望功率小于或等于所述发动机额定功率的第二阈值，确定所述发动机工况模式为中负载工况模式；

35、或者，当确定所述发动机转速不为零，所述发动机期望功率大于所述第二阈值，确定所述发动机工况模式为高负载工况模式。

36、根据本发明的一些实施例，所述根据所述发动机工况模式控制预设控制模块的工作状态，以调整发动机运行状态，包括：

37、当确定所述发动机工况模式为所述冷启动工作模式，关闭所述废气再循环模块，并控制所述柴油供给模块向发动机输出柴油；

38、控制所述甲醇供给模块向所述甲醇裂解模块输出甲醇，以进行甲醇裂解反应，得到甲醇裂解气体，并将所述甲醇裂解气体输入所述发动机。

39、根据本发明的一些实施例，所述根据所述发动机工况模式控制预设控制模块的工作状态，以调整发动机运行状态，还包括：

40、当确定所述发动机工况模式为所述低负载工况模式，控制所述甲醇裂解模块、所述柴油供给模块和所述甲醇供给模块开启；

41、调整所述柴油供给模块和所述甲醇供给模块的喷射时序，以控制所述发动机工作在甲醇混合限制燃烧模式；

42、根据预设发动机参数调整第一喷射参数、甲醇裂解产氢率以及甲醇能量比例；其中，所述预设发动机参数包括发动机排气温度和发动机负载需求，所述第一喷射参数包括甲醇喷射时刻以及柴油喷射时刻；

43、根据预设气门控制规律控制所述发动机的进气门二次开启，以进行内部废气再循环操作。

44、根据本发明的一些实施例，所述根据所述发动机工况模式控制预设控制模块的工作状态，以调整发动机运行状态，还包括：

45、当确定所述发动机工况模式为所述中负载工况模式，控制所述废气再循环模块、所述甲醇裂解模块、所述柴油供给模块和所述甲醇供给模块开启；

46、调整所述柴油供给模块和所述甲醇供给模块的喷射时序，以控制所述发动机工作在甲醇均质充量预混燃烧模式；

47、根据预设输出参数调整第一喷射参数、甲醇裂解产氢率、甲醇能量比例以及废气再循环率；其中，所述预设输出参数包括发动机负载需求、爆震输出反馈和爆压输出反馈，所述第一喷射参数包括甲醇喷射时刻和柴油喷射时刻。

48、根据本发明的一些实施例，所述根据所述发动机工况模式控制预设控制模块的工作状态，以调整发动机运行状态，还包括：

49、当确定所述发动机工况模式为所述高负载工况模式，控制所述废气再循环模块、所述柴油供给模块和所述甲醇供给模块开启；

50、调整所述柴油供给模块和所述甲醇供给模块的喷射时序，以控制所述发动机工作在甲醇部分预混燃烧模式；

51、根据预设输出参数调整第二喷射参数以及废气再循环率；其中，所述预设输出参数包括发动机负载需求、爆震输出反馈和爆压输出反馈，所述第二喷射参数包括甲醇一次喷射比例、甲醇二次喷射比例、甲醇喷射时刻以及柴油喷射时刻。

52、根据本发明实施例的一种船用双直喷发动机系统及其控制方法，至少具有如下有益效果：本发明实施例通过控制甲醇供给模块和柴油供给模块，以灵活控制发动机的燃烧模式和燃料配比，从而能够适应不同航行工况的需求。同时，本发明实施例通过废气再循环模块进行外部废气再循环，以调控燃烧速率，降低燃烧速率，防止爆压超过限制以及爆震。进一步地，本发明实施例通过甲醇裂解模块对输入的甲醇进行裂解，以实现甲醇裂解掺氢燃烧，有效加快燃烧速率。容易理解的是，本发明实施例通过结合甲醇裂解模块和废气再循环模块的方式，能够在实现高甲醇替代率的基础上调控燃烧速率，从而实现发动机在宽工况范围内的清洁、高效、可控燃烧，有效缓解了运行工况受限的问题。