喷油策略对大缸径双燃料发动机燃烧和排放的影响

为改善大缸径双燃料发动机的动力性,提高经济性并降低排放,以1台6缸多点进气的柴油/天然气双燃料发动机为研究对象,分析不同引燃油量和喷油正时对缸内燃烧、替代率以及排放的影响.研究结果表明,增加引燃油量和喷油提前角可以较大幅度降低CH4和CO的排放,HC排放的下降幅度较小,在不发生缸内爆震的情况下,引燃油量的减少不会影响爆压的变化和NOx的排放;相比于改变引燃油量,改变提前角对缸内燃烧和替代率的影响更大,喷油提前角增大1℃A,循环供油量平均减小0.19g/cyc,替代率平均增大2.5％;在全工况范围内,最佳喷油正时随着负荷的升高而减小,随转速升高而增大.通过优化喷油正时和引燃油量得出全工况各点的最高替代率,最高达到94.2％,提升了燃油经济性.研究结果可为大缸径双燃料发动机的开发提供依据.     

船用LNG发动机掺烧模拟废气-燃料重整气缸内燃烧过程仿真

为研究废气燃料重整再循环技术(REGR)对船用LNG发动机性能的影响,搭建试验台架,进行性能测试;运用AVL-fire软件建立发动机燃烧室仿真模型,并依据试验数据验证仿真模型的准确性。基于该模型进行各负荷下不同废气再循环系统(EGR)率及在确定的EGR率下掺烧不同比例模拟重整气的仿真计算,并以75%负荷下的工况为例进行详细分析。计算结果表明,随着EGR率的升高,缸内平均压力和平均温度的峰值下降,燃烧过程整体后移,燃烧持续期增加,发动机的指示功率和NO比排放下降,指示燃油消耗率增加;掺混重整气比例增加,缸内平均压力和温度峰值升高,燃烧持续期缩短,指示功率和NO比排放升高,在重整气掺混率升高到一定程度时,指示燃油消耗率明显下降。综合分析发现,使用REGR技术可在不牺牲发动机的动力性和经济性的前提下降低液化天然气(LNG)发动机的NO比排放。     

船用LNG动力发动机部分关键技术

为研究国内外液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)动力发动机的技术差异,列表总结国内外LNG发动机的技术现状,并对空燃比、动态特性及点火技术等因素对其动力性、经济性和尾气排放的影响进行分析。结果表明:影响NO_x生成的主要因素有工作循环方式、空燃比、引燃油量和负荷等;提高空燃比可改善发动机的热效率及NO_x排放,但会影响其动力性和THC排放;点火技术影响空燃比,点火能量升高或柴油微引燃可拓宽稀燃界限,且点火或喷油提前角增加,缸内最高压力、温度和NO_x排放增加,THC和CO减小;采用可变截面涡轮增压技术可改善发动机的动态响应、经济性和尾气排放;双燃料模式与纯柴油模式相比,HC和CO排放增加,NO_x和PM排放减少。     

不同喷油正时对双燃料发动机燃烧性能的影响

为了研究双燃料发动机缸内燃烧情况及其排放特性,本文以4135ACa型高速柴油机为基础研究对象,利用商用CFD软件FIRE对其进行一定燃气工况下的数值计算,通过导入CHEMKIN所构建的化学动力学机理与喷雾破碎、湍流流动等基础模型相结合,构建了发动机的三维工作过程,并分析了不同喷油策略对该工况下发动机燃烧及排放的影响。结果表明随着喷油提前角的减小,燃烧放热规律整体后移,缸内爆发压力与温度随喷油提前角减小而减小,但是瞬时放热率均大于纯柴油。在喷油提前角为4℃A BTDC时,缸内爆发压力接近纯柴油状态,NOx排放量与纯柴油工况相近,当喷油提前角为2℃A BTDC时,NOx排放满足要求,但缸内平均温度仍比纯柴油模式要高。     

船用天然气发动机空燃比和转速协调控制

对船用天然气发动机空燃比和转速协调控制进行了研究,根据船用天然气发动机的控制需求设计了相应的软件和硬件,并在控制策略中引入了扭矩量,提出了三闭环双前馈的控制架构。基于玉柴6K型天然气发动机进行了配机试验,在固定负载突变转速的工况下,发动机能在3 s内能达到目标转速并趋于稳定,最大超调量在4%以内,稳态时转速波动率在0.8%左右。在固定转速突加突卸负荷时,转速能在8s内趋于稳定,瞬态调速率为在6%以内,稳态时的转速波动率在0.9%左右,验证了所提出控制策略的可行性。     

船用中速双燃料发动机放热规律神经网络预测模型的开发

以船用中速双燃料发动机为研究对象,提出其放热规律神经网络预测模型的开发方法。首先建立船用中速双燃料发动机的多维性能仿真模型,对增压空气压力、燃气喷射量和引燃油喷射提前角等不同控制参数进行数值组合,计算多组不同工况条件下的放热率曲线;通过对多条放热率曲线进行参数化分析,明确描述放热率曲线的4个曲线特征参数和特征方程;建立双燃料发动机放热规律神经网络预测模型,以控制参数作为输入量,以放热率曲线特征参数作为输出量,利用多组放热率数据对神经网络模型进行训练和测试。该模型揭示了控制参数与放热率之间的规律,可由控制参数对放热率曲线进行预测。仿真计算结果表明:相比一般的发动机实时仿真模型,神经网络预测模型结果更加贴近发动机实际工作状态。     

船用柴油机双燃料系统设计及其特性

介绍一种新的船用柴油天然气双燃料系统,并为系统设计性能可靠、控气精准的组合喷射阀。为提高系统适应性,设计一型控制系统,通过T-S模糊控制算法处理油耗和转速信息得到系统的天然气喷入量。该系统不安装限油装置,最大限度地利用原柴油机的控制系统,通过发动机自身调节机构对引燃柴油量进行调节,且其安装简单方便。在台架试验中,双燃料发动机的替代率随着转速的升高逐渐增大,在额定转速(负荷)点工作时,替代率达到73%,费用节省率达到31%,运行可靠稳定。     

REGR成分对船用LNG发动机燃烧与排放特性的影响模拟

利用三维计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真软件CONVERGE,建立船用点燃式液化天燃气(Liquefied Natural Gas,LNG)发动机的三维仿真模型,探究废气重整再循环(Reformed Exhaust Gas Recirculation,REGR)成分及REGR率对LNG发动机燃烧与排放特性的影响。研究结果表明:在相同的REGR率下,随着REGR重整气中H_2含量的提高,使得着火时刻提前且发动机缸内燃烧速度加快,缸内最高燃烧爆发压力提升、NOx排放量增加,磁氢化合物排放量和CO排放量受REGR重整气成分和缸内流体共同作用呈先增加后减少的趋势。掺烧相同REGR重整气时,随着REGR率的提高,着火时刻提前且燃烧速率加快,升压率提高导致缸内最高压力提升,船舶排放尾气中NOx排放量和CO排放量提高,HC排放呈现先减后增的趋势。     

船用LNG供气流程设计仿真和故障分析

船用LNG供气流程的作用是将LNG从储罐输送至双燃料发动机,并在输送过程中将LNG加热气化。在现有LNG供气流程的基础上针对功率为960kW的双燃料发动机设计了低压船用LNG供气流程。选取三组不同的LNG组分,对供气流程在设计工况和供气量、增压气量变化的工况下进行仿真和分析,对流程中供气控制阀和增压气控制阀发生故障的情况下进行仿真和分析。得出了以下结论：当供气流程在设计工况下工作时,选取的不同LNG组分下供气压力、供气控制阀前压力和各换热器热负荷的差别较小;供气流量变化时各个换热器出口温度反向变化,但是当供气流量增加时会发生无法气化增压气从而导致储罐压力下降的问题,此时可以利用备用换热器在供气流量增加的情况下气化增压气;增压气流量变化时各换热器出口温度的变化程度较小;当增压气控制阀发生故障时供气压力会随着储罐压力的增加而增加,通过设置储罐压力、增压气控制阀和供气控制阀联动控制可以稳定供气压力;供气控制阀故障且供气流量变化时,供气压力会发生剧烈变化,此时需及时检修供气控制阀。     

32/40双燃料发动机

德国奥格斯堡MAN B＆W公司对32/40DG系列双燃料发动机,进行了进一步研制。32/40DG双燃料发动机采用预燃室喷射,使MAN B＆W公司在四冲程柴油机的基础上,又增加了火花点火式燃气发动机和双燃料发动机。现在,MAN B＆W公司生产的发动机的覆盖功率范围已达到400千瓦至16200千瓦。     

配气相位对大功率柴油机缸套热负荷影响及优化

以某大功率柴油机缸套为对象,通过GT-Power和ANSYS仿真平台,建立柴油机工作过程仿真模型和缸套热负荷模型,利用硬度塞法验证其热负荷模型的正确性。适当调整进气提前角及滞后角、排气提前角及滞后角等配气相位角,计算分析配气相位对缸套热负荷的影响。利用田口实验设计和方差分析法,制定以不同配气相位角为影响因子的优化匹配方案,进行配气相位对热负荷考核指标权重分析,并进行缸套优化分析。研究表明:确定的缸套热边界条件和仿真模型合理,热负荷计算模型误差较小,排气提前角和进气提前角对缸套热负荷影响权重较大,在功率不低于原标定功率情况下,确定的优化方法可有效降低缸套热负荷指标。     

摩托艇电控汽油机稳定工况标定试验研究

摩托艇汽油机电控系统采用空燃比、点火提前角开环控制,对电控汽油机稳态工况进行标定,制取基本喷油MAP图和点火提前角MAP,实现了汽油机在台架上的稳定运转。     

中速柴油-甲醇双燃料发动机试验

在未对原机燃油系统进行改动的情况下,为一台中速柴油机加装甲醇喷射装置,组成柴油-甲醇双燃料系统。分析该发动机在变速和恒速工况下的甲醇替代特性,以及个别工况下喷油正时对上述特性的影响。试验结果显示:随着甲醇替代率的提高,NO_X排放和热效率会出现拐点;发动机HC排放的增长在低负荷时可控制在原机的2.3倍,在中高负荷时普遍在原机的10倍以上,最大时达22.4倍;推迟喷油对热效率的负面影响会随着甲醇替代率的提高而逐步减少,同时其在NO_X排放方面的优势能继续保持;在恒速发电工况下,中低负荷对应的甲醇的部分燃烧倾向增加,使得甲醇替代率的提高受到限制;变速变载的运用方式有助于柴油-甲醇双燃料系统在中低负荷下取得更高的热效率,而恒速变载的运用方式有助于双燃料系统更易获得较少的NO_X排放。     

中速柴油-甲醇双燃料发动机试验

在未对原机燃油系统进行改动的情况下,为一台中速柴油机加装甲醇喷射装置,组成了柴油-甲醇双燃料系统,分析了该发动机在变速和恒速工况下的甲醇替代特性,以及个别工况下喷油正时对上述特性的影响。试验数据显示,随着甲醇替代率的增加,NO_x排放和热效率会出现拐点;发动机HC排放的增长在低负荷时可控制在原机的2.3倍,中高负荷时普遍在10倍以上,最大时达22.4倍;推迟喷油在热效率上的负面影响会随着甲醇替代率的增加而逐步减少,而其在NOx排放方面的优势却能得以保持;在恒速发电工况下,中低负荷时甲醇的部分燃烧倾向增加,限制了甲醇替代率的提高;变速变载的运用形式下,柴油-甲醇双燃料系更容易取得较高的热效率,而恒速变载的运用方式下,双燃料系统更容易获得较低的NOx排放。     

基于动态贝叶斯网的双燃料船舶适航性评估

随着柴油-LNG双燃料船舶新型技术的兴起,迫切需要科学有效的方法对其进行适航性评估与安全监管。本文首先根据双燃料船舶的营运特点,从船舶动力丧失概率的角度分析和确定了适航性评估的内容、程序和建模方法。然后针对船舶使用双燃料和纯柴油两种工况下的失效模式特点,建立了相应不同结构的可靠性框图。最后基于可靠性框图建立了动态贝叶斯网络并计算了各节点的条件概率,解决了双燃料船舶适航性分析中的动态性,小子样、相关失效等难点。实例计算表明双燃料工况下由于共因失效冲击船舶动力丧失概率明显增大,验证了评估模型的正确性。     

2135G船用柴油机掺烧含水乙醇重整燃料试验分析

为解决生物乙醇作为替代燃料在柴油机中难以直接掺烧的问题,采用含水乙醇催化重整技术对乙醇作预处理,在加装了含水乙醇重整装置的2135G型柴油机上进行掺烧试验,试验结果表明:掺烧含水乙醇重整燃料后,柴油机滞燃期均不同程度延长,延长幅度随着替代率的增加而增大;最高爆发压力在低负荷时明显降低,而在高负荷时显著升高,且随着替代率增加柴油机有爆震倾向;当量比油耗上升,燃油经济性恶化;主要排放物NOx的排放在整个负荷范围内均有一定程度下降,但CO排放增加。掺烧含水乙醇重整燃料后柴油机性能在高负荷时较为理想,在低负荷时恶化明显。     

基于GT-Power和Simulink的柴油机各缸不均匀性闭环控制

为改善各缸工作不均匀性,以TBD314V8柴油机为研究对象,基于缸压计算得到的各缸IMEP和CA50作为反馈变量,控制变量为各缸的喷油量和喷油提前角,建立了GT-Power与Simulink联合仿真模型,通过模型分析了轨压、负荷和喷油提前角对爆压、IMEP和CA50不均匀率的影响,并对影响因素进行参数灵敏度量化分析,验证了闭环控制对各缸不均匀性的改善效果。结果表明：轨压对爆压、IMEP和CA50不均匀率影响较小;负荷对IMEP不均匀率影响最大,且随着负荷的增加呈线性下降;喷油提前角对爆压不均匀率和CA50不均匀率影响最大,且CA50不均匀率随着喷油提前角的增大呈线性增加。经过闭环控制后,各缸不均匀性得到明显改善。     

一种双燃料发动机多缸失火及功率不均匀的诊断方法

本文提出了一种基于瞬时转速的谐次变换进行双燃料发动机多缸失火及功率不均匀的诊断方法,通过分析曲轴瞬时转速各谐次变换下的速度矢量,能简便的判断出内燃机各缸的运行情况,估算出各缸功率不均匀度大小。     

船用LNG供气流程设计仿真和故障分析

在现有液化天然气(LNG)供气流程的基础上,针对功率为960k W的双燃料发动机,设计低压船用LNG供气流程。选取3组LNG组分,对供气流程的设计工况和供气量、增压气量变化工况进行仿真分析,对供气流程中供气控制阀和增压气控制阀发生故障的情况进行仿真分析。结果表明:当供气流程在设计工况下推进时,在选取的各LNG组分下,供气压力、供气控制阀前压力和各换热器热负荷的差别较小;当供气流量变化时,各换热器出口温度反向变化,当供气流量增加时,会发生无法气化增压气,从而导致储罐压力减小的问题,此时可利用备用换热器气化增压气;当增压气流量变化时,各换热器出口温度的变化程度较小;当增压气控制阀发生故障时,供气压力会随储罐压力的增大而增大,通过设置储罐压力、增压气控制阀和供气控制阀联动控制,可稳定供气压力;当供气控制阀发生故障且供气流量变化时,供气压力会发生剧烈变化,此时需及时检修供气控制阀。     

基于GT-Power和Simulink的柴油机各缸不均匀性闭环控制

为改善柴油机各缸工作的不均匀性,以TBD314V8柴油机为研究对象,将基于缸压计算得到的各缸IMEP和CA50作为反馈变量,将各缸的喷油量和喷油提前角作为控制变量,建立GT-Power与Simulink联合仿真模型。通过模型分析轨压、负荷和喷油提前角对爆压不均匀率、IMEP不均匀率和CA50不均匀率的影响,并对影响因素进行参数灵敏度量化分析,验证闭环控制对改善各缸不均匀性的效果。结果表明:轨压对爆压不均匀率、IMEP不均匀率和CA50不均匀率的影响较小;负荷对IMEP不均匀率的影响最大,且随着负荷的增加线性下降;喷油提前角对爆压不均匀率和CA50不均匀率的影响最大,且CA50不均匀率随着喷油提前角的增大线性增加。经过闭环控制之后,各缸的不均匀性得到明显改善。