The Intelligent study on diesel-LNG dual fuel marine diesel engine

Zhang Liang

Department of watercraft engineering Zhenjiang college of watercraft Zhenjiang, Jiangsu, China

Abstractuuml;In this article, a diesel engine named “X6170ZC” has been converted into a dual-fuel engine of diesel and liquefied natural gas (LNG). The principle, composition and characteristics of electronic control system for the engine have been introduced. An intelligent control technology has been adjoined to the engine based on the previous experiments. The applicability of the intelligent control technology in the diesel-LNG duel fuel engine has been verified through our new experiments. The results show that the engine adopting the intelligent control technology has higher integrated replacement rate and lower thermal load.

Keywords- engine;dual-fuel; intelligent

ĉ. INTRODUCTION

In the face of two major challenges of scarce oil resources and environmental pollution[1], the development of gas engines is the need of adapting the adjustment of energy structure, and it is also an important measure to promote economy in the west. The advantage of natural gas are rich resources,rich distribution and low price,it has significant impact on reducing the emission of carbon oxides(Cox)ˈnitrogen oxides (NOx), sulfur (sulfide) and dust.Natural gas can also reduce acid rain and ease greenhouse effects.

At present, the diesel-LNG dual-fuel system has mainly the following problems: poor system stability, high variation of replacement rate; inaccurate gas measurement, high consumption of natural gas, the total consumption of diesel and natural gas more than the original machine with poor fuel economy. The blind pursuit of high replacement rate results in the detonation of engine, the reduction of engine life; the artificial increase of engine power causes the serious post combustion of engine and high exhaust temperature[2]. Here,we introduce the intelligent control technology for fuel injection, which can increase replacement rate of natural gas, improve the economy and emissions of original engine, making the engine work soft and smooth through the dynamic precise control of the amount of diesel fuel ignition and the natural gas supply. With the intelligent control, diesel-LNG mixed fuel has the advantages of lower fuel wastage, low thermal load, and fewer exhaust gas comparing with the pure diesel. The successful application of LNG in the dual-fuel diesel system has important significances for solving the energy shortage

and the environmental pollution.

Ċ.ENGINE CONVERSION AND SOFTWARE DESIGN

1. Objective of engine conversion

Without changing the basic structure of the engine, several elements such as sensors, controllers and actuators have been installed by using the plug-in way, so that the original diesel engine can be converted a diesel-LNG dual-fuel engine that can achieve the precise control of the diesel and natural gas mixing ratio in a variety of working conditions.

1. Method of conversion
   1. Construction of the air circuit:As the gas source the LNG tank is connected to the engine through the air intake manifold with the pipelines that is composed by gasifiers, pressure reducing valves, positive displacement flow meters, tempers, gas cut-out valves, gas injector and gas tracks. In order to let the LNG enter into the engine in the form of gas, the gas pressure in the pipelines should be controlled around the 0.6MPa. Precise control of gas amount has been carried out through the gas cut-out valves,

Figure 1 The system frame diagram

2012 International Conference on Computer Science and Electronics Engineering

978-0-7695-4647-6/12 $26.00 copy; 2012 IEEE DOI 10.1109/ICCSEE.2012.425

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gas injector and gas tracks with the help of Electronic Control Unit (ECU). To prevent the tempering from happening, the temper has been installed in the pipeline. The whole gas pipelines have been shown in the figure 1.

• 1. Construction of electronic control system:In order to achieve precise control of gas, the electronic control technology has been adopted to the control system. It mainly includes accelerator position sensors, stop actuators, speed (RPM) sensor, exhaust temperature sensor, fuel temperature sensor, fuel pressure sensors, water temperature sensors, air-fuel ratio sensor, knock sensor, flammable toxic gas sensors, and ECU. All the acquired signals from the sensors are sent to the ECU. The actions of control valves and actuators are also carried out with the help of the ECU. The whole electronic control system is shown in the figure 1.

Thus the required speed and power are acquired. In order to improve the control accuracy of the injection amount of natural gas, the system uses a number of valves working in series, so that the work area of valve and the control accuracy of the amount of natural gas are detailed. The system can control the amount of diesel through the fuel control device to control fuel pump. Therefore, when switched to the pure diesel mode, the natural gas supply is cut off and the fuel control device is set back to the initial state. So the mode of the engine installed with the electronic control system is exactly the same as the original engine.

The main control program of the control system is shown in the figure 2.

• 1. Principles of electronic control system:The control system of diesel-LNG mixing ratio uses the microcontroller as its control core, adopts the intelligent ECU, positive pressure, and single-point gas injection technologies. The control system converts the pure diesel engine into a diesel-LNG dual-fuel engine. It is eq

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     柴油 - LNG双燃料船用柴油机的智能研究

     张亮

     江苏镇江船舶工程学院船舶工程系

     摘要在本文中，一种名为“X6170ZC”的柴油发动机已经转变为柴油和液化天然气（LNG）的双燃料发动机。介绍了发动机电控系统的原理，组成和特点。基于先前的实验，已经将智能控制技术运用到发动机。通过我们的新实验验证了智能控制技术在柴油- LNG双燃料发动机中的适用性。结果表明， 采用智能控制技术的发动机具有较高的综合更换率和较低的热负荷。

     关键词 - 发动机;双燃料;智能

     1. 介绍

     面对稀缺的石油资源和环境污染这两大挑战[1]，燃气发动机的发展是适应能源结构调整的需要，也是促进西部经济发展的重要举措。天然气的优势在于资源丰富， 分布丰富，价格低廉，对减少碳氧化物（Cox）氮氧化物

     （NOx），硫（硫化物）和粉尘的排放具有重要影响。天然气还可以减少酸雨和缓解温室效应。

     目前，柴油 - LNG双燃料系统主要存在以下问题：系统稳定性差，更换率变化大;气体测量不准确，天然气消耗量大，柴油和天然气的总消耗量超过原机，燃油经济性差。盲目追求高替代率导致发动机爆炸，发动机寿命缩短;发动机功率的人为增加导致发动机严重的后燃烧和高排气温度[2]。在此，我们介绍了燃油喷射智能控制技术， 可以提高天然气的替代率，提高原始发动机的经济性和排放，通过动态精确控制柴油点火量和天然气供应，使发动机工作柔软顺畅。柴油 - 液化天然气混合燃料采用智能控制，与纯柴油相比，具有燃料损耗低，热负荷低，废气少的优点。LNG在双燃料柴油系统中的成功应用对解决能源短缺和和环境污染具有重要意义。

     2、发动机转换和软件设计

     a.发动机转换的目标

     在不改变发动机基本结构的情况下，采用插入式方式 安装了传感器，控制器和执行器等多个元件，使原有的柴油发动机可以转换为柴油-LNG双燃料发动机，可以实现在各种工况下精确控制柴油和天然气的混合比。

     b.转换方法

     • 1. 空气回路的构造：作为气源，LNG罐通过进气歧管连接到发动机，管道由气化器，减压阀，容积式流量计， 回火器，气体切断阀，气体喷射器和气路。为了让LNG以气体形式进入发动机，管道中的气体压力应控制在0.6MPa左右。通过气体切断阀精确控制气体量，

     图1系统框图

     2012年计算机科学与电子工程国际会议

     978-0-765-467-612 2600copy;2012 ieedoi

     10.1109/iccsee.2012.425

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     在电子控制单元（ECU）的帮助下，气体喷射器和气体轨道。为了防止发生回火，回火器已经安装在管道中。整个天然气管道如图1所示。

     • 1. 电子控制系统的构建：为了实现对气体的精确控制， 控制系统采用了电子控制技术。它主要包括加速器位置传感器，停止执行器，速度（RPM）传感器，排气温度传感器，燃油温度传感器，燃油压力传感器，水温传感器，空燃比传感器，爆震传感器，易燃有毒气体传感器和电子控制技术（ECU）。来自传感器的所有采集信号都被发送到ECU。控制阀和执行器的动作也在ECU的帮助下进行。整个电子控制系统如 图1所示。
       2. 电控系统原理：柴油-LNG混合比控制系统以微控制器为控制核心，采用智能ECU，正压和单点注气技术。控制系统将纯柴油发动机转换为柴油-LNG双燃料发动机。它配备有传感器，数据采集接口，输入和输出设备和螺线管驱动电路，以及用于检测和控制整个系统的单片复位电路。在硬件的基础上，设计开发了控制软件，可根据实际需要灵活调整柴油喷射量和LNG供应量。因此，硬件和软件被集成到有机体中以实现系统特征。

     打开电子控制系统后，可以全程监控发动机的运行。一旦发动机启动，控制系统将判断发动机转速是否正常。当速度低于怠速时，电子控制系统将进入启动模式，并让发动机处于启动状态。当速度高于额定速度时，控制系统将进入安全模式，以防止发动机过载。一旦电子控制系统接收到通信请求，它将根据通信请求对发动机进行适当的调整。

     因此获得所需的速度和功率。为了提高天然气注入量的控制精度，该系统采用多个串联工作的阀门，从而详细说明了阀门的工作区域和天然气量的控制精度。该系统可以通过燃料控制装置控制燃油泵来控制柴油量。因此，当切换到纯柴油模式时，切断天然气供应并且燃料控制装置回到初始状态。因此，安装有电子控制系统的发动机模式与原始发动机完全相同。

     控制系统的主控制程序如图2所示。

     控制系统通过控制原始发动机的燃油泵输出来抑制柴油的喷射量。它是一种闭环控制，由ECU控制位移反馈，以调节发动机的油泵，可根据负载和速度的增加或减少来调节燃油喷射量。当使用双燃料时，天然气通过精确 计量的气体喷射器喷射到发动机进气口。天然气的喷射量由气体喷射器的有效打开确定，其由ECU根据来自传感

     器的接收信号控制。 图2主控制程序

     3.发动机实验和结果分析

     实验框图

     柴油-液化天然气双燃料发动机试验框图如图1所示。发动机的主要部件，仪表，基本参数和控制系统简要介绍 如表1所示。

     在纯柴油模式下测试

     测试目标获得燃油消耗，速度控制杆打开所代表的目 标速度，控制杆固定在纯柴油不同位置时的速度波动范围。

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     标签1系统中的主要组件和仪器

     	名称	键入和组装
     传感器
     1	Armord K排气温度传感器	传感器将钻孔插入排气管并与电线连接。
     2	位置传感器用于速度调节手柄	脚手架安装在速度调节手柄上，传感器固定在其上并与电线连接。
     3	速度传感器	原始传感器连接电线。
     4	水温传感器	原始传感器连接电线。
     5	油压传感器	原始传感器连接电线。
     6	油温传感器	原始传感器连接电线。
     7	氧传感器	传感器将钻孔插入排气管并与导线连接。
     8	有毒和可燃气体探测器	探测器连接电线。
     液化天然气供应系统
     1	液化天然气罐	480L
     2	气化炉	CQ-100/1.6
     3	正位移	LUGB˖DN25，压力lt;2.5MPa
     4	压力调节器	QAR5000 0.05~0.80MPa
     5	空气截止阀	OK6610-B010-CZ-G3 / 8-D24-Cu-N连接电线。
     6	排烟阀	H2200 11R-004666连接电线。
     柴油发动机
     1	模型	X6170ZC-19
     2	样式	涡轮增压，CAC，垂直，6缸直列式，水冷，直喷。
     3	额定功率/额定速度	397kW / 1200R转/分钟
     4	气缸孔/活塞冲程	170毫米/ 200毫米
     5	压缩率	14.5:1
     6	移位	27.24L
     7	特定燃料消耗量	210克/千瓦·H
     测试系统
     1	发动机测功器	MSC-960
     2	测量和控制系统	EST-2002柴油机测控系统。
     3	电控箱	EST-2002KE
     4	发动机测功器	液压测功机P1000

     模式。记录了各种条件下发动机的性能参数，其中发动机的燃料消耗将作为比较双燃料模式下的燃料消耗的初始数据。

     C 在双燃料模式下测试

     1. 喷油器流量的校准和验证˖当发动机以双燃料模式运行时，手动校准天然气的喷射量，并生成喷射脉冲宽度的控制图。因此，它可以设置为智能控制的基本控制信号。校准时，注气量不应设置得太高，以免超过运行条件的阈值。

     通过比较校准的气体注入量和天然气流量计上指示的气体流量，可以在0.6MPa下计算气体喷射器的实际流量。将实际流量与最大流量之间的比率设定为校正因子

     校准到ECU中作为智能控制中实际气体喷射量的校正因子。

     1. 确定天然气的最大喷射量˖手动进行天然气最大喷射量的校准试验。用手逐渐增加气体的喷射量。为了保护发动机不受损坏，在填充气体的过程中需要避免几个操作：
        1. 速度明显波动;
        2. 随着燃油量的增加，齿条位移明显移动;
        3. 废气温度的快速升高明显高于正常值;
        4. 实际速度长时间高于目标值;
        5. 引擎敲门。

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     当上述情况之一发生时，应停止填充气体，并且在该情况之前的当前气体量可被视为功率点处的最大气体量。在获得不同功率点处的最大气体量之后，将操作点处的参数校准到ECU中作为智能控制实验中的气体喷射量的限制。

     3) 智能控制燃油喷射[3] [4] [5]˖

     1. 控制原理：当柴油和LNG双燃料发动机燃料在双燃料模式下工作时，天然气采用单点喷射方式，其喷射点位于进气口与气缸有一定距离，而柴油直接注入汽缸。因此，天然气发动机系统存在延迟，其延迟包括混合物形成过程的传播延迟，以及燃烧后废气传播到氧传感器的延迟和传感器的响应延迟[6] ]。以前，在转换发动机的柴油和燃气开关过程中，当双燃料发动机从纯柴油机切换为双燃料模式时，天然气供应的延迟和天然气燃烧火焰的低传播速度导致发动机速度的瞬时降低。当电控系统检测到发动机转速下降时，燃料供应将增加。一旦天然气在汽缸中燃烧，就会导致发动机速度的快速增加。因此，在柴油和天然气开关过程中，发动机速度首先大幅下降，然后迅速增加。在几次振荡之后，发动机速度逐渐变得稳定。发动机转速的剧烈波动将导

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        资料编号：[2760]

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