阅读说明：本技术 一种船用发动机推进系统及其控制方法 (Marine engine propulsion system and control method thereof ) 是由 张荣沛 张小玉 于 2020-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种船用发动机推进系统及其控制方法。该推进系统包括轴带电机、储能模块和控制模块,发动机与轴带电机连接,轴带电机与储能模块连接,控制模块与轴带电机和发动机连接,该方法包括：根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率；当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时,通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电。通过设置当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时,通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电,以实现在推进系统负荷变化较大时减缓发动机的功率变化幅度,减少爆震,降低颗粒物排放,同时提高能源的利用率的效果。(The embodiment of the invention discloses a marine engine propulsion system and a control method thereof. The propulsion system comprises a shaft motor, an energy storage module and a control module, wherein the engine is connected with the shaft motor, the shaft motor is connected with the energy storage module, the control module is connected with the shaft motor and the engine, and the method comprises the following steps: determining the power change slope of the engine required by the system according to the total propulsion power required by the system at the current moment and the output power of the engine at the last moment; when the change slope of the engine power required by the system meets a preset condition, the energy storage module is controlled to charge or discharge through the control shaft motor. When the change slope of the engine power required by the system meets the preset condition, the energy storage module is controlled to charge or discharge through the control shaft and the motor, so that the power change amplitude of the engine is reduced when the load change of the propulsion system is large, knocking is reduced, particulate matter emission is reduced, and meanwhile, the utilization rate of energy is improved.)

一种船用发动机推进系统及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及船用发动机控制技术，尤其涉及一种船用发动机推进系统及其控制方法。

背景技术

船用二冲程低压双燃料发动机具有天然气进气压力低、供气系统结构简单、氮氧化物排放少、投资成本低等诸多优点，已经在船舶低速机市场中得到了广泛应用。

但是当低压双燃料发动机在推进负荷变化较频繁时，容易发生爆震，可能会导致颗粒物排放较高。尤其是当船舶航速加减速频繁，发动机推进功率变化的斜率较陡时，更容易发生爆震，使得推进系统的功耗大、动态响应性能差。

发明内容

本发明提供一种船用发动机推进系统及其控制方法，当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电，以实现在推进系统负荷变化较大时减缓发动机的功率变化幅度，减少爆震，降低颗粒物排放，同时提高能源的利用率。

第一方面，本发明实施例提供了一种船用发动机推进系统的控制方法，所述推进系统包括轴带电机、储能模块和控制模块，所述发动机与所述轴带电机连接，所述轴带电机与所述储能模块连接，所述控制模块与所述轴带电机和所述发动机连接，所述方法包括：

根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻所述发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率；

当所述系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制所述轴带电机控制所述储能模块充电或放电。

可选地，所述根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻所述发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率，包括：

根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻所述发动机的输出功率的差值，与预设时长的比值计算所述系统需求的发动机功率变化斜率。

可选地，所述预设时长为1秒。

可选地，所述当所述系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，控制所述轴带电机控制所述储能模块充电或放电，包括：

当所述系统需求的发动机功率变化斜率大于发动机预设最大下降功率变化斜率时，控制所述轴带电机控制所述储能模块放电；

当所述系统需求的发动机功率变化斜率小于发动机预设最大上升功率变化斜率时，控制所述轴带电机控制所述储能模块充电。

可选地，所述当所述系统需求的发动机功率变化斜率大于发动机预设最大下降功率变化斜率时，控制所述轴带电机控制所述储能模块放电，包括：

根据发动机预设最大下降功率变化斜率、预设时长和上一时刻所述发动机的输出功率确定当前时刻所述发动机的输出功率；

根据当前时刻所述发动机的输出功率和当前时刻系统需求推进总功率确定所述储能模块的放电电量。

可选地，所述根据发动机预设最大下降功率变化斜率、预设时长和上一时刻所述发动机的输出功率确定当前时刻所述发动机的输出功率，包括：

根据所述发动机预设最大下降功率变化斜率和所述预设时长的乘积，与上一时刻所述发动机的输出功率之和计算当前时刻所述发动机的输出功率。

可选地，所述当所述系统需求的发动机功率变化斜率小于发动机预设最大上升功率变化斜率时，控制所述轴带电机控制所述储能模块充电，包括：

根据发动机预设最大上升功率变化斜率、预设时长和上一时刻所述发动机的输出功率确定当前时刻所述发动机的输出功率；

根据当前时刻所述发动机的输出功率和当前时刻系统需求推进总功率确定所述储能模块的充电电量。

可选地，所述根据发动机预设最大上升功率变化斜率、预设时长和上一时刻所述发动机的输出功率确定当前时刻所述发动机的输出功率，包括：

根据所述发动机预设最大上升功率变化斜率和所述预设时长的乘积，与上一时刻所述发动机的输出功率之和计算当前时刻所述发动机的输出功率。

可选地，在所述根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻所述发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率之前，还包括：

获取当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻所述发动机的输出功率。

第二方面，本发明实施例还提供了一种船用发动机推进系统，其特征在于，包括：轴带电机、储能模块和控制模块；其中，所述发动机与所述轴带电机连接，所述轴带电机与所述储能模块连接，所述控制模块与所述轴带电机和所述发动机连接；

所述控制模块用于根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻所述发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率；当所述系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制所述轴带电机控制所述储能模块充电或放电。

本发明通过提供一种船用发动机推进系统的控制方法，推进系统包括轴带电机、储能模块和控制模块，发动机与轴带电机连接，轴带电机与储能模块连接，控制模块与轴带电机和发动机连接，该方法包括：根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率；当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电。通过该方法解决现有的船用发动机在推进负荷变化较频繁时存在易发生爆震、系统功耗大等问题。通过设置当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电，以实现在推进系统负荷变化较大时减缓发动机的功率变化幅度，减少爆震，降低颗粒物排放，同时提高能源的利用率的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种船用发动机推进系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一中的一种船用发动机推进系统的控制方法的流程图；

图3是本发明实施例二中的一种船用发动机推进系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一中提供的一种船用发动机推进系统的结构框图，图2为本发明实施例一中提供的一种船用发动机推进系统的控制方法的流程图。参考图1，推进系统包括轴带电机20、储能模块30和控制模块40，发动机10与轴带电机20连接，轴带电机20与储能模块30连接，控制模块40与轴带电机20和发动机10连接。

其中，轴带电机20的电机轴输出端与负载连接，例如与一固定螺距的螺旋桨1连接。轴带电机20用于输出功率带动螺旋桨1转动。

其中，发动机10可以为二冲程低压双燃料发动机，其具有天然气进气压力低、供气系统结构简单、氮氧化物排放少、成本低等诸多优点。储能模块30可以为储能电池，例如可充电锂电池。储能模块30与轴带电机20双向连接，可以实现充电和放电功能。控制模块40可以为单片机、PLC控制器等。

本实施例可适用于船用发动机推进系统的控制方法的实现过程，该方法可以由本发明实施例提供的船用发动机推进系统来执行，参考图2，该控制方法具体包括如下步骤：

步骤110、根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率。

其中，当前时刻系统需求推进总功率是指轴带电机输出端连接的负载需求的总功率，例如螺旋桨1转动所需求的总功率。上一时刻发动机的输出功率可以体现发动机的输出功率的历史参数。通常，当系统推进负荷变化较大(或者，系统需求推进总功率变化较大)时，系统需求的发动机功率变化的速率也比较大。其中，系统需求的发动机功率变化的速率可以用系统所需求的发动机功率变化斜率来表示。所以，根据当前时刻系统需求的推进总功率和上一时刻发动机的输出功率可以判断出当前时刻系统所需求的发动机功率变化斜率。

步骤120、当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电。

例如，当系统需求的发动机功率变化斜率比发动机预设的输出的功率变化斜率大时，即发动机实际能提供的功率变化速率小于系统需求的功率变化速率时，控制模块通过控制轴带电机控制储能模块放电，储能模块放电输出电能以补偿发动机实际能提供的功率变化速率小于系统需求的功率变化速率的差值，以满足系统需求的发动机功率变化速率。当系统需求的发动机功率变化斜率比发动机预设的输出的功率变化斜率小时，即发动机实际能提供的功率变化速率大于系统需求的功率变化速率时，控制模块通过控制轴带电机控制储能模块充电，使得发动机实际能输出的多余的功率通过给储能模块充电进行存储。当系统需求的发动机功率变化斜率等于发动机预设的输出的功率变化斜率时，即发动机实际能提供的功率变化速率刚好满足系统需求的功率变化速率时，则储能模块既不充电也不放电。由此可知，当推进系统出现负荷变化较大，系统需求的功率变化速率较大时，根据系统需求的发动机功率变化斜率所满足的条件，通过控制轴带电机以控制储能模块充电或者放电，可以减缓发动机的功率变化幅度，减少爆震，降低颗粒物排放，同时提高能源的利用率。

在本实施例的技术方案中，该船用发动机推进系统的控制方法的工作原理为：首先，根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率。然后，当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电。由此可知，当推进系统出现负荷变化较大，系统需求的功率变化速率较大时，根据系统需求的发动机功率变化斜率所满足的条件，通过控制轴带电机以控制储能模块充电或者放电，可以减缓发动机的功率变化幅度，减少爆震，降低颗粒物排放，同时提高能源的利用率。

本实施例的技术方案，通过供一种船用发动机推进系统的控制方法，推进系统包括轴带电机、储能模块和控制模块，发动机与轴带电机连接，轴带电机与储能模块连接，控制模块与轴带电机和发动机连接，该方法包括：根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率；当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电。通过该方法解决现有的船用发动机在推进负荷变化较频繁时存在易发生爆震、系统功耗大等问题。通过设置当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电，以实现在推进系统负荷变化较大时减缓发动机的功率变化幅度，减少爆震，降低颗粒物排放，同时提高能源的利用率的效果。

实施例二

图3是本发明实施例二中提供的一种船用发动机推进系统的控制方法的流程图。在上述实施例的基础上，可选地，在所述根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻所述发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率之前，还包括：

获取当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率。

其中，可以通过功率检测模块实时监测当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率。其中，功率检测模块可以包括电流检测单元和电压检测单元，通过电流检测单元可以实时检测当前时刻系统的电流值和上一时刻发动机的电流值，通过电压检测单元可以实时检测当前时刻系统的电压值和上一时刻发动机的电压值，然后根据检测的当前时刻系统的电流值和电压值可以得到当前时刻系统需求推进总功率，根据检测的上一时刻发动机的电流值和上一时刻发动机的电压值可以得到上一时刻发动机的输出功率。

可选地，根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率，包括：

根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率的差值，与预设时长的比值计算系统需求的发动机功率变化斜率。

参考图3，设当前时刻系统需求推进总功率为P_P(t)，上一时刻发动机的输出功率为P_m(t-1)，系统需求的发动机功率变化斜率为R，则系统需求的发动机功率变化斜率R为：

R＝(P_P(t)-P_m(t-1))/T_s

其中，T_s为预设时长。预设时长可以设置为1秒、0.5秒、1.5秒等。具体的数值可以根据实际情况进行设定，在本实施例中不做具体的限定。

可选地，当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，控制轴带电机控制储能模块充电或放电，包括：

当系统需求的发动机功率变化斜率大于发动机预设最大下降功率变化斜率时，控制轴带电机控制储能模块放电；

当系统需求的发动机功率变化斜率小于发动机预设最大上升功率变化斜率时，控制轴带电机控制储能模块充电。

其中，发动机预设最大上升功率变化斜率和发动机预设最大下降功率变化斜率可以根据发动机的燃烧性能，通过控制模块设置在保证发动机正常运行时能达到的发动机最大上升功率变化斜率和发动机最大下降功率变化斜率，具体的数值可以根据实际的情况进行设置，在此不做具体的限定。可选地，可以设置发动机预设最大下降功率变化斜率大于发动机预设最大上升功率变化斜率。

具体的，当系统需求的发动机功率变化斜率大于发动机预设最大下降功率变化斜率时，即发动机实际能提供的功率变化速率小于系统需求的功率变化速率时，控制模块通过控制轴带电机控制储能模块放电，储能模块放电输出电能以补偿发动机实际能提供的功率变化速率小于系统需求的功率变化速率的差值，以满足系统需求的发动机功率变化斜率。当系统需求的发动机功率变化斜率小于发动机预设最大上升功率变化斜率时，即发动机实际能提供的功率变化速率大于系统需求的功率变化速率时，控制模块通过控制轴带电机控制储能模块充电，使得发动机实际能输出的多余的功率通过给储能模块充电进行存储。当系统需求的发动机功率变化斜率大于发动机预设最大上升功率变化斜率且小于发动机预设最大下降功率变化斜率时，即发动机实际能提供的功率变化速率刚好满足系统需求的功率变化速率时，则控制模块控制轴带电机停止工作，此时储能模块既不放电也不充电。由此可知，当推进系统出现负荷变化较大，系统需求的功率变化速率较大时，根据系统需求的发动机功率变化斜率所满足的条件，通过控制轴带电机以控制储能模块充电或者放电，可以减缓发动机的功率变化幅度，减少爆震，降低颗粒物排放，同时提高能源的利用率。

设发动机预设最大下降功率变化斜率为R_d，发动机预设最大上升功率变化斜率为R_u，储能模块功率为P_e(t)，当前时刻发动机的输出功率为P_m(t)。

可选地，当系统需求的发动机功率变化斜率大于发动机预设最大下降功率变化斜率时，控制轴带电机控制储能模块放电，包括：

根据发动机预设最大下降功率变化斜率、预设时长和上一时刻发动机的输出功率确定当前时刻发动机的输出功率；

根据当前时刻发动机的输出功率和当前时刻系统需求推进总功率确定储能模块的放电电量。

可选地，根据发动机预设最大下降功率变化斜率、预设时长和上一时刻发动机的输出功率确定当前时刻发动机的输出功率，包括：

根据发动机预设最大下降功率变化斜率和预设时长的乘积，与上一时刻发动机的输出功率之和计算当前时刻发动机的输出功率。

具体的，当系统需求的发动机功率变化斜率R大于发动机预设最大下降功率变化斜率R_u时，则当前时刻发动机的输出功率P_m(t)为：

P_m(t)＝T_s*R_u+P_m(t-1)

然后，根据求得的当前时刻发动机的输出功率P_m(t)和当前时刻系统需求推进总功率为P_P(t)可以计算出当前储能模块应输出或输入的功率P_e(t)。

P_e(t)＝P_p(t)-P_m(t)

如果当前储能模块的功率P_e(t)大于零时，则控制模块通过控制轴带电机控制储能模块放电，输出功率，以补偿发动机实际能提供的功率变化速率小于系统需求的功率变化速率的差值，从而满足系统需求的发动机功率变化速率。

可选地，当系统需求的发动机功率变化斜率小于发动机预设最大上升功率变化斜率时，控制轴带电机控制储能模块充电，包括：

根据发动机预设最大上升功率变化斜率、预设时长和上一时刻发动机的输出功率确定当前时刻发动机的输出功率；

根据当前时刻发动机的输出功率和当前时刻系统需求推进总功率确定储能模块的充电电量。

可选地，根据发动机预设最大上升功率变化斜率、预设时长和上一时刻发动机的输出功率确定当前时刻发动机的输出功率，包括：

根据发动机预设最大上升功率变化斜率和预设时长的乘积，与上一时刻发动机的输出功率之和计算当前时刻发动机的输出功率。

具体的，当系统需求的发动机功率变化斜率R小于发动机预设最大上升功率变化斜率R_d时，则当前时刻发动机的输出功率P_m(t)为：

P_m(t)＝T_s*R_d+P_m(t-1)

然后，根据求得的当前时刻发动机的输出功率P_m(t)和当前时刻系统需求推进总功率为P_P(t)可以计算出当前储能模块应输出或输入的功率P_e(t)。

P_e(t)＝P_p(t)-P_m(t)

如果当前储能模块的功率P_e(t)小于零时，则控制模块通过控制轴带电机控制储能模块充电，使得发动机实际能输出的多余的功率通过给储能模块充电进行存储，以提高能源的利用率，节约能源，避免资源浪费。

此外，当系统需求的发动机功率变化斜率大于发动机预设最大上升功率变化斜率且小于发动机预设最大下降功率变化斜率时，即发动机实际能提供的功率变化速率刚好满足系统需求的功率变化速率时，则控制模块控制轴带电机停止工作，此时储能模块既不放电也不充电，则当前时刻发动机的输出功率P_m(t)为：

P_m(t)＝P_p(t)

在本实施例的技术方案中，参考图3，该船用发动机推进系统的控制方法的原理为：首先，根据发动机的燃烧性能通过控制模块设置发动机的预设最大下降功率变化斜率为R_d和预设最大上升功率变化斜率为R_u。获取当前时刻系统需求推进总功率P_p(t)和上一时刻发动机的输出功率P_m(t-1)，并根据当前时刻系统需求推进总功率P_p(t)和上一时刻发动机的输出功率P_m(t-1)计算出系统需求的发动机功率变化斜率R。然后判断系统需求的发动机功率变化斜率R是否大于发动机预设最大下降功率变化斜率R_u，若是，则根据发动机预设最大下降功率变化斜率R_u和预设时长T_s的乘积，与上一时刻发动机的输出功率P_m(t-1)之和可以计算出当前时刻发动机的输出功率P_m(t)，然后根据求得的当前时刻发动机的输出功率P_m(t)和当前时刻系统需求推进总功率为P_P(t)可以计算出当前储能模块应输出或输入的功率P_e(t)，若当前储能模块的功率P_e(t)大于零，则控制模块通过控制轴带电机控制储能模块放电。若系统需求的发动机功率变化斜率R小于发动机预设最大下降功率变化斜率R_u，则进一步判断系统需求的发动机功率变化斜率R是否小于发动机预设最大上升功率变化斜率R_d，若是，则根据发动机预设最大上升功率变化斜率R_d和预设时长T_s的乘积，与上一时刻发动机的输出功率P_m(t-1)之和可以计算出当前时刻发动机的输出功率P_m(t)，然后根据求得的当前时刻发动机的输出功率P_m(t)和当前时刻系统需求推进总功率为P_P(t)可以计算出当前储能模块应输出或输入的功率P_e(t)，若当前储能模块的功率P_e(t)小于零，则控制模块通过控制轴带电机控制储能模块充电。由此可知，当推进系统出现负荷变化较大，系统需求的功率变化速率较大时，根据系统需求的发动机功率变化斜率所满足的条件，通过控制轴带电机以控制储能模块充电或者放电，可以减缓发动机的功率变化幅度，减少爆震，降低颗粒物排放，同时提高能源的利用率。

实施例三

本发明实施例还提供了一种船用发动机推进系统，如图1所示，该船用发动机推进系统包括：轴带电机、储能模块和控制模块；其中，发动机与轴带电机连接，轴带电机与储能模块连接，控制模块与轴带电机和发动机连接；

控制模块用于根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率；当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制所述储能模块充电或放电。

其中，轴带电机20的电机轴输出端与负载连接，例如与一固定螺距的螺旋桨1连接。轴带电机20用于输出功率带动螺旋桨1转动。

其中，发动机10可以为二冲程低压双燃料发动机，其具有天然气进气压力低、供气系统结构简单、氮氧化物排放少、成本低等诸多优点。储能模块30可以为储能电池，例如可充电锂电池。储能模块30与轴带电机20双向连接，可以实现充电和放电功能。控制模块40可以为单片机、PLC控制器等。

在本实施例的技术方案中，通过提供一种船用发动机推进系统，推进系统包括轴带电机、储能模块和控制模块，发动机与轴带电机连接，轴带电机与储能模块连接，控制模块与轴带电机和发动机连接，控制模块用于根据当前时刻系统需求推进总功率和上一时刻发动机的输出功率确定系统需求的发动机功率变化斜率；当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电。通过该系统可以解决现有的船用发动机在推进负荷变化较频繁时存在易发生爆震、系统功耗大等问题。通过设置当系统需求的发动机功率变化斜率满足预设条件时，通过控制轴带电机控制储能模块充电或放电，以实现在推进系统负荷变化较大时减缓发动机的功率变化幅度，减少爆震，降低颗粒物排放，同时提高能源的利用率的效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。