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基于缸压信号的船用天然气发动机燃烧闭环控制策略研究

摘要

国际海事组织（IMO）排放法规的日益严格，迫使船舶发动机制造商追求更高效、

清洁的节能减排技术。天然气发动机由于主要燃料是甲烷(CH)，燃料碳氢比最高，释

4

放单位能量产生的CO2排放比汽油和柴油减少20-30%，更能通过稀薄燃烧技术提高发

动机的热效率，显著降低远洋船舶的NOx、SOx和PM排放，迅速成为船舶动力领域的

研究热点。但天然气发动机应用稀薄燃烧技术的过程中，总是对空燃比的变化异常敏感。

即使微小的空燃比变化也会在稀燃边界附近产生放大影响，进而导致天然气发动机在工

作过程中出现明显地循环变动，导致性能下降和排放恶化。

针对船用天然气发动机稀燃稳定性较差的问题，本课题借助一维仿真软件GT-power

和三维仿真软件CONVERGE，搭建了高精度的耦合仿真模型，研究了可控参数和结构

参数对天然气发动机性能的影响规律。基于缸压信号搭建了模糊PID控制器和基于拉格

朗日预测性控制理论的黑箱模型，研究了单燃烧特征参数闭环控制、双燃烧特征参数闭

环控制和预测性燃烧闭环控制对天然气发动机稀燃稳定性的影响规律。

耦合模型的仿真结果表明，点火正时、过量空气系数、喷气正时和压缩比均会对天

然气发动机的燃烧性能产生影响。其中，天然气发动机的指示热效率主要受到点火正时

的影响，天然气发动机的动力输出主要受到过量空气系数的影响。进一步利用正交试验

和显著性分析为燃烧闭环控制系统选取反馈参数，确定以点火正时控制CA50等相位类

燃烧特征参数，以过量空气系数控制IMEP等做功类燃烧特征参数。

对比不同控制策略对天然气发动机燃烧稳定性的控制效果发现，相较于单燃烧特征

参数闭环控制，双燃烧特征参数闭环控制可以保证发动机在工作过程中同时保持较高的

经济性和燃烧稳定性。而预测性燃烧闭环控制可在双燃烧特征参数闭环控制的基础上，

进一步降低IMEP的循环变动系数，对于提高天然气发动机的燃烧稳定性和拓宽稀燃极

限具有很好的参考价值。

关键词：船用天然气发动机；缸压信号；燃烧闭环；双闭环控制策略；预测性控制

基于缸压信号的船用天然气发动机燃烧闭环控制策略研究

Abstract

TheincreasinglystringentemissionregulationsoftheInternationalMaritime

Organization(IMO)forceMarineenginemanufacturerstopursuemoreefficientandclean

energysavingandemissionreductiontechnologies.Asthemainfuelismethane(CH),

4

naturalgasenginehasthehighestfuelhydrocarbonratio,andtheCOemissionperunitof

2

energyreleasedcanbereducedby20-30%comparedwithgasolineanddiesel.Itcanimprove

thethermalefficiencyoftheenginethroughleancombustiontechnology,andsignificantly

reduceNOx,SOxandPMemissi