船用柴油/甲醇双燃料发动机燃料协同控制技术研究
摘要
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。
关键词：船用发动机；柴油/甲醇双燃料发动机；控制策略；转速控制；实时仿真
I
船用柴油/甲醇双燃料发动机燃料协同控制技术研究
ABSTRACT
Thispaperaimstoaddressthechallengesfacedbytheinternalcombustionengine
industryforshipsunderthegoalsofcarbonpeakandcarbonneutrality,andtoexplorethe
applicationofmethanolasanalternativemarinefuelinmarinedieselengines.Duetothe
characteristicsofmethanol,suchasitslowercetanenumber,rapidcombustionrate,andlarger
vaporizationlatentheat,itscombustionprocesscaneffectivelyreducetheemissionsofsoot
andNOx.Althoughthereisalreadyafoundationofresearchonmethanolblendingindiesel
enginesinChina,mostofitfocusesonautomotiveengines,whileresearchonmarineengines
isstillinitsinfancy.Therefore,thispaperwillfocusonthestud