船用柴油/甲醇双燃料发动机燃料协同控制技术研究

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本文旨在应对碳达峰和碳中和目标下船舶内燃机行业所面临的挑战,探讨甲醇作为船用替代燃料在船舶柴油机中的应用。由于甲醇具有较低的十六烷值、快速的燃烧速度和较大的汽化潜热等特点,其燃烧过程中能够有效降低碳烟和NOx的排放。尽管目前国内针对柴油机掺烧甲醇的研究已有一定基础,但大多以车用发动机为研究对象,而针对船用发动机的相关研究尚处于初级阶段。因此,本文将专注于船用柴油机中掺烧甲醇的控制技术研究。本文以控制策略与算法验证的需求为导向,构建了一个基于GT-POWER的准维仿真计算模型,并利用试验数据进行了标定。在推进特性下的三个典型工况条件下进行标定后,试验数据与仿真结果基本相符,最大误差均在5%以内,表明该准维仿真模型适用于后续控制策略验证。搭建了一个基于模块化建模软件的柴油/甲醇双燃料发动机的整机控制策略模型,主要包括状态管理策略、燃料喷射控制策略和信号处理模块。根据甲醇燃料燃烧的特点以及掺烧甲醇对柴油机燃烧和性能的影响,有针对性地构建了双燃料模式下的燃料管理控制策略。针对船用发动机的转速控制问题,本文采用模型预测控制作为核心算法。为了优化双燃料发动机转速控制中的非线性特性,提出了一种基于燃料喷射量加权的多模型预测控制方法。该方法通过根据当前总燃料喷射量的大小来确定相应的加权系数,从而计算出应施加到发动机的燃料喷射控制量,以实现平稳的工况切换。基于NI-Pharlap系统的实时仿真平台,利用控制器模型与GT-POWER模型共同搭建了用于快速原型验证的实时仿真环境。通过实时仿真分析,对比了基于模型预测控制(MPC)的转速控制器与传统的PID控制器的在双燃料模式下的转速控制性能表现。在稳定负载下,MPC的转速追踪控制效果均比PID更好。负载突变情况下的转速控制实验中,验证了MPC转速控制器具有更出色的鲁棒性,且稳定时间更短。同时,为了解决负载突增时的转速控制稳态误差问题,采用了基于燃料喷射量加权的多模型预测控制(MMPC)控制器并取得了良好的效果。
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