低速柴油机的低压EGR率动态调节与性能优化方法与流程

低速柴油机的低压egr率动态调节与性能优化方法
技术领域
1.本发明涉及采用低压egr(废气再循环)系统的低速二冲程柴油机，具体涉及到一种低速柴油机的低压egr率动态调节与性能优化方法，属于柴油机技术领域。


背景技术：

2.随着人们对环境保护的越来越重视，相应的排放法规对柴油机氮氧化物排放、碳排放以及硫化物的排放控制也日趋严格。由于双燃料柴油机在燃气模式下能够有效地降低碳排放，大幅度地减少硫化物排放，同时在奥托(otto)循环模式下，柴油机的氮氧化物排放也能够大幅度下降，能够直接满足imo tier iii排放法规，因此双燃料柴油机越来越广泛地应用在船舶动力上。
3.低压egr(废气再循环)技术是从柴油机的增压器后废气中导入一部分气体，经过净化后与柴油机吸入的新鲜空气汇合至扫气集管，使柴油机扫气空气中的o2含量降低，co2的含量相应提高，这样柴油机燃烧的峰值温度将大大降低，从而提高奥托循环下的燃气燃烧稳定性，降低甲烷逃逸量，以及降低燃油模式下的氮氧化物排放，以满足imo tier iii排放法规。因此，低压废气再循环(egr)技术在船舶柴油机上的应用越来越广泛，特别广泛应用于低压双燃料柴油机。
4.低压egr技术通常包含将部分排气系统的废气导入至扫气箱系统，其主要目的是增加扫气箱中的co2含量；以及将部分新鲜空气导入废气排气系统，其主要目的是减少扫气箱中的o2含量。
5.在低压egr柴油机的车间台架试验中，将会综合柴油机排放特性与性能优化的情况，对各负荷下的废气再循环率(egr率)进行标定。然而，在船舶实际运行之中，由于负荷工况、环境因素等的变化，如何精确地达到预先限定的egr率也是一个比较难以解决的问题，更不用说，在此同时综合柴油机的排放状况，通过对egr率的动态微调，使柴油机的性能始终处于一个较佳的状况。
6.如何在确保柴油机的egr率与预先标定值基本一致的情况下，同时兼顾柴油机性能与排放，对运行中的egr率进行动态微调，确保柴油机的性能始终处于一个较佳的状态，这是我们需要解决的一个问题。


技术实现要素：

7.本发明提出一种低速柴油机的低压egr率动态调节与性能优化方法，解决在船舶运行中，由于负荷工况、环境因素等变化，导致柴油机实际egr率与期望要求存在着一定偏差，从而造成柴油机排放超标或者性能状况恶化的问题。
8.本发明的技术方案具体如下：
9.一种低速柴油机的低压egr率动态调节与性能优化方法，其特征在于，所述的低压egr率动态调节与性能优化方法包括：
10.在柴油机台架试验时，综合柴油机的性能与排放状况，标定各负荷状况下的排气
系统废气导入至扫气系统的废气旁通控制阀开度v1、空气导入排气集管的空气旁通控制阀开度v2、排气系统废气氮氧化物浓度c1和扫气箱混合气体氧气浓度c2；
11.在柴油机运行过程中，根据主机转速扭矩状况，获得该运行工况下的废气旁通控制阀标定开度v
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、空气旁通控制阀标定开度v
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、排气系统废气氮氧化物标定浓度c
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以及扫气箱混合气体氧气标定浓度c
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，并根据相应的废气旁通控制阀标定开度v
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与空气旁通控制阀标定开度v
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对调节控制阀开度进行相应的调节；
12.根据排气系统废气氮氧化物浓度c1和扫气箱混合气体氧气浓度c2的实测值分别与排气系统废气氮氧化物标定浓度c
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和扫气箱混合气体氧气标定浓度c
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的差异，对空气旁通控制阀的实时开度v
2act
进行微调，从而实现低压egr率动态调节与性能优化，在满足柴油机排放要求的基础上，使柴油机的性能处于一个最佳状况。
13.进一步地，所述的低压egr率动态调节基于以下策略：
14.1)当扫气箱混合气体氧气浓度c2《扫气箱混合气体氧气标定浓度c
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时，空气旁通控制阀的实时开度v
2act
适当减少，直到扫气箱混合气体氧气浓度c2≥扫气箱混合气体氧气标定浓度c
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为止；
15.2)当扫气箱混合气体氧气浓度c2≥扫气箱混合气体氧气标定浓度c
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，且排气系统废气氮氧化物浓度c1《排气系统废气氮氧化物标定浓度c
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时：
16.若(c
2-c
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)/c
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≤0.03，则空气旁通控制阀的实时开度v
2act
适当减少，直到满足排气系统废气氮氧化物浓度c1≥排气系统废气氮氧化物标定浓度c
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或(c
2-c
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)/c
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》0.03中的一个条件为止；
17.若(c
2-c
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)/c
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》0.03，则发出废气氮氧化物浓度传感器报警信号，要求对该废气氮氧化物浓度传感器进行及时校验或更换，同时在此期间，低压egr率动态调节暂时忽略氮氧化物浓度这一判定因素。
18.3)当扫气箱混合气体氧气浓度c2≥扫气箱混合气体氧气标定浓度c
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，排气系统废气氮氧化物浓度c1≥排气系统废气氮氧化物标定浓度c
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，且(c
2-c
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)/c
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≤0.03,(c
1-c
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)/c1≤(t
1-t
1m
)/2t1时：
19.空气旁通控制阀的实时开度v
2act
保持不变，否则将空气旁通控制阀的实时开度v
2act
适当增加，直到满足上述条件为止；
20.其中，t1为此时柴油机功率距离25％、50％、75％和100％这四个负荷中最近的负荷的排放计算值，t
1m
为该负荷下排放文件所规定的最大排放值。
21.进一步地，所述的第3)情况中，公式(c
2-c
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)/c
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≤0.03中的参数0.03,以及公式(c
1-c
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)/c1≤(t
1-t
1m
)/2t1中的(t
1-t
1m
)/2t1能够根据实际情况进行适当调整。
22.与现有技术相比，本发明能够对船舶运行中柴油机的egr率进行动态微调，确保了柴油机的性能始终处于一个较佳的状态，实现了对主机低压egr率的动态调节与性能优化，避免了柴油机排放超标或者性能状况恶化的情况。
附图说明
23.图1是本发明的原理示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
25.本发明用于低速柴油机的低压egr率动态调节与性能优化。
26.在柴油机台架试验时，综合柴油机的性能与排放状况，标定各负荷状况下的排气系统废气导入至扫气系统的废气旁通控制阀开度v1，以及空气导入排气集管的空气旁通控制阀开度v2。其中，空气旁通控制阀一般安装在柴油机增压器压气端出口之后，空冷器之前。废气旁通控制阀与空气旁通控制阀标定开度的确定，柴油机标定的egr率也就基本上确定下来了。
27.在柴油机实际运行之中，根据其转速扭矩信号，获得该工况下的标定的废气旁通控制阀标定开度v
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，以及空气旁通控制阀标定开度v
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，这样此时的柴油机的egr率基本上能够与初始的试验标定的egr率基本保持一致。但考虑到柴油机实际运行状况与环境因素等影响，按照控制阀标定开度进行调整，柴油机的实际egr率可能与预先标定的存在一定差异；此外，由于环境状况的变化，柴油机的此时其他废气成分比例也可能会与试验标定发生一定变化，如出现废气成分中的气态水含量相对标定时变化量比较大等因素，那么即使此时的实际egr率与标定时完全一致，但此时柴油机的性能状况也可能不是处于一个最佳状况，甚至在一些极端情况下，还会出现柴油机排放超标或者油耗状况相对大幅恶化的可能。
28.本发明所述方法包括如下内容。
29.为了避免这种状况发生，在柴油机台架试验时，也将同时标定排气系统废气氮氧化物浓度c1，以及扫气箱混合气体氧气浓度c2。在柴油机实际运行之中，将会根据柴油机的功率状况，获得柴油机此时的排气系统废气氮氧化物标定浓度c
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，以及扫气箱混合气体氧气标定浓度c
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。再根据c1与c2实测值与c
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和c
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的差异，对空气旁通控制阀的实时开度v
2act
进行微调，在满足柴油机排放基础上，实现低压egr率动态调节与性能优化，尽可能使柴油机的性能处于一个最佳状况。
30.选择对空气旁通控制阀进行微调的原因在于，空气旁通控制阀对egr率的调节相对比较明显，此外空气旁通控制阀也相对较小，方便于egr率的动态调节。
31.为了确保空气旁通控制阀在各种环境状况下都具备动态调节功能，一般要求在空气旁通控制阀试验标定时，其最小开度应不小于总开度的10％，最大开度应不大于总开度的90％。
32.低压egr率动态调节与性能优化基于以下策略：
33.当c2≥c
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，c1≥c
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，且(c
2-c
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)/c
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≤0.03,(c
1-c
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)/c1≤(t
1-t
1m
)/2t1时，空气旁通控制阀的实时开度v
2act
将保持不变，否则空气旁通控制阀的实时开度v
2act
将适当增加，直到满足上述条件为止。其中t1为此时柴油机功率距离25％，50％，75％，100％这四个负荷最近的一个负荷排放计算值，t
1m
为该负荷下规定的最大排放值。当然，上述判断公式中的参数0.03，以及(t
1-t
1m
)/2t1可以根据实际情况适当调整。
34.当c2≥c
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时，此外柴油机氮氧化物排放浓度相对egr率标定时要高，一般来说，此时的柴油机燃烧状况与油耗状况将相对较好。此时我们重点考虑，防止柴油机氮氧化物排放超标。空气旁通控制阀的实时开度v
2act
适当的增加，这样燃烧室反应的氧含量将相对减少，氮氧化物浓度也将相应的下降，egr率将相对上升。根据imo排放法规，柴油机的氮氧化
物排放是综合25％，50％，75％，100％这四个负荷的排放加权平均值，因此在空气旁通控制阀的动态调节控制上，选择了最靠近该负荷的25％，50％，75％，100％这四个负荷最近的一个负荷排放计算值作为限制条件，(c
1-c
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)/c1≤(t
1-t
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)/2t1这个为限制条件的目的是，保证此时该负荷实际的氮氧化物排放不会出现超标现象。当然(t
1-t
1m
)/2t1这个限制条件，在实际应用过程中，可以根据实际情况进行相应的调整。(c
2-c
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)/c
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≤0.03这个限制条件的目的在于，尽可能避免由于传感器测量误差，对egr率的动态调节造成干扰。其中(c
2-c
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)/c
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≤0.03这个限定条件，在实际应用过程中，也可以根据实际情况进行相应的调整。
35.当c2《c
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时，空气旁通控制阀的实时开度v
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将适当减少，直到c2≥c
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为止。
36.当c2《c
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时，此外柴油机氮氧化物排放浓度相对egr率标定时要低，一般来说，此时的柴油机燃烧状况与油耗状况将相对较差。此时我们重点考虑时，防止对柴油机的性能进行优化，改善柴油机油耗。
37.当c2≥c
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，且同时c1《c
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时，这种情况一般不会发生，但在在某些特殊情况下也确实有存在的可能。此时我们将再增加一个判定条件，当此时(c
2-c
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)/c
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≤0.03，空气旁通控制阀的实时开度v
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将适当减少，直到最少满足c1≥c
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，或(c
2-c
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)/c
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》0.03其中一个条件为止。
38.当c2≥c
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，c1《c
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，(c
2-c
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)/c
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》0.03同时发生时，此时将会发出一个废气氮氧化物浓度传感器报警信号。在此期间，低压egr率动态调节将会暂时忽略氮氧化物浓度这一判定因素。同时，要求对废气氮氧化物浓度传感器进行及时校验或更换。
39.为了避免由于传感器误差对egr率动态调节造成干扰，在扫气箱氧浓度测量方面，我们一般要求在此处安装3个传感器，并要求进行日常校验，以及定期与标准气体校验，以确保氧浓度测量精度性，避免氧浓度传感器故障造成的干扰。在氮氧化物浓度测量方面，考虑到废气氮氧化物浓度传感器主要是起到一个辅助判断功能，我们不一定要求安装2个或以上氮氧化物浓度传感器，但也要求定期校验或更换，特别是在出现报警信号时，必须对废气氮氧化物浓度传感器进行及时校验或更换。
40.由此，实现了对低压egr率动态调节与性能优化。
41.本发明要求保护的范围不仅限于上述实施例，凡依据本说明书的内容所做的等效变化及修改，都应属于本发明申请要求保护的技术范围。