基于模型的船用柴油机多目标优化

在船用发动机第一阶段排放法规将要实施的情况下,为兼顾发动机的经济性和排放性,采用基于模型的多目标优化标定方法对船用发动机进行优化。根据排放法规的要求并结合船用发动机的推进特性和工况点,采用混合试验设计(Do E)设计试验工况点,在发动机台架上收集发动机试验数据,通过对试验数据进行分析建立优化标定模型,以经济性最好及满足氮氧化物(NOX)和碳氢化合物(HC)排放要求为目标,以其他排放物和排温为约束条件,应用基于Pareto概念的遗传算法进行优化求解。验证结果表明:法规排放点满足船用发动机一阶段排放法规的要求,氮氧化物(NOX)和碳氢化合物(HC)排放、油耗分别比原机降低12.34%、3.65%,一氧化碳(CO)和颗粒物(PM)排放分别比原机降低33.29%、13.21%;推进特性下工况点得到了较好的优化效果。     

某船用柴油机SCR系统匹配性能试验分析

针对某船用柴油机,在D2试验循环模式下进行原机和加装SCR系统后的性能对比试验,分析SCR反应器在无尿素喷射时对柴油机排气特性和经济性的影响,同时还分析按氮氨比为1∶1进行尿素喷射时SCR系统的工作性能。试验结果表明:柴油机安装SCR系统后,排气背压和排气温度均有所上升;经济性略有下降,额定工况下降低幅度在1%左右;虽然增压器后NOX排气浓度增大,但NOX质量流量下降幅度较大,额定工况下降幅度为12.3%,尿素基本喷射量标定计算应以加装SCR反应器后的柴油机排气参数为依据;NOX加权比排放由原机的12.63 g/k Wh降低到11.52 g/k Wh,降低了8.7%。按氮氨比为1∶1的比例进行尿素喷射时,SCR系统能满足Tire III的NOX排放限值要求。研究结果可为SCR系统设计和尿素喷射量的标定提供一定的指导依据。     

柴油-LNG双燃料船用发动机排放特性试验研究

为研究单点进气双燃料发动机的经济性和排放性能,将一台传统船用发动机改装成增压器后单点进气双燃料发动机,进行原机和双燃料模式的负荷特性对比试验。结果表明,单点进气双燃料发动机经济性略有下降,NOx排放基本持平,HC和CO排放大幅上升,说明简单改装的总管进气双燃料发动机的经济性和排放性能都不具有优势。     

可变压缩比技术对柴油机性能的影响

利用GT-power软件研究不同压缩比对某4JB1型中冷增压系统柴油机燃油经济性和排放性能的影响规律。模拟结果表明,当发动机处于高负荷的工况时适当降低压缩比可以有效控制氮氧化物(NOX)的生成,处于低负荷的工况时采用高压缩能节约燃油。研究对柴油机压缩比参数的优化具有一定的参考价值。     

基于正交-主元分析的柴油机燃烧参数匹配优化

为解决船用柴油机改造之后运行参数的组合问题,利用AVL-FIRE软件耦合CHEMKIN建立天然气-柴油双燃料发动机燃烧室高压循环模型,并采用原机进行验证。以指示功率和NOX生成量为优化目标,采用正交试验法对燃烧参数匹配进行仿真试验。采用主成分分析法对仿真结果进行优化分析,将优化结果与正交试验结果相对比,并最终代入模型中进行检验。通过正交-主成分分析得出:柴油机运行参数对低温燃烧影响的主次顺序与正交试验设计基本一致,且具有更高的可靠性和准确度。优化后的柴油机运行参数为:天然气替代率45%;进气压力0.224MPa;废气再循环(EGR)率12.5%;进气温度335.15 K;喷油提前角22.7°。对应的指示功率为37.83 kW,NOX生成质量分数比原机降低78.73%,比极差分析最优组合降低10.92%。该优化方案在保证动力性的前提下可有效降低NOX排放。     

进气压力对柴油微引燃乙醇发动机的影响

基于单缸四冲程柴油机,对在船舶上具有应用前景的柴油微引燃乙醇发动机进行燃烧、性能及排放特性研究。以所采用发动机中能实现压燃着火的最小柴油量为固定引燃柴油喷射量,比较进气压力分别为0.15 MPa和0.20 MPa的工况组,通过改变柴油喷射时刻来进行工况扫描。结果显示:进气压力更大的工况,着火滞燃期更短,燃烧持续期更长,指示热效率更低;存在两阶段着火的工况点,第一阶段放热的占比更大;进气压力增大时,氮氧化物(NOX)排放更低,但未燃碳氢(UHC)与一氧化碳(CO)排放更高。     

相继增压系统对改善船用直列八缸发动机性能的试验研究

随着大型柴油发动机经济性和排放要求的不断提升,以及对发动机稳态、瞬态特性要求的不断提高,传统的涡轮增压系统已无法满足船用发动机全工况性能的要求。为了提高产品竞争力和适配性,针对某8缸直列船用柴油发动机开发了带有定压排气管的相继增压系统,并进行了发动机台架试验研究。结果表明：发动机中、低转速时,相继增压系统使发动机比油耗可以下降5%-10%,排气温度降低30%-45%,烟度下降55%-60%；最大扭矩可以提升15.1%-36.4%；发动机最大扭矩转速工况突加突卸响应性提升约28%-29%；相继增压系统中定压排气管的设计使得发动机高工况性能也有所提升,从而实现发动机全工况性能的提升。     

船用液化天然气燃料供气系统原理及应用

<正>为了限制船用柴油机废气排放对环境的污染,国际海事组织通过相关排放附则对船舶发动机的氮氧化物和硫氧化物排放限制作出明确规定。为了实现节能减排,满足日益严格的排放法规要求,选择性催化还原、废气清洗、废气再循环、双燃料发动机、双燃料供气系统等新技术应运而生。     

船用柴油机应对IMO Tier Ⅲ排放法规的路线选择

首先对比了国内外柴油机的排放水平现状,然后对船用柴油机NOX减排技术进行了介绍,并从成熟度和经济性方面,对其中能够满足IMO Tier III排放法规的EGR、SCR以及DF技术进行了对比分析,最后从短期和长期两方面,对我国船用柴油机排放控制技术路线的选择进行了探讨,并给出了相关建议。     

基于国四排放非道路柴油机喷射系统的优化试验

基于非道路378型柴油机,采用不同的轨压、主喷正时、预喷油量和预喷-主喷间隔,进行非道路柴油机八工况的喷油参数优化试验.试验结果表明:随轨压的增加,NO_x排放增加,烟度和有效燃油消耗率不断减小,HC排放先降后升;随主喷提前角的增大,NO_x排放增加,烟度、HC和有效燃油消耗率不断减小;随预喷油量的增大,NO_x、烟度和有效燃油消耗率先降后升,HC排放不断增加;随着预喷-主喷间隔角的增大,NO_x先降后增,烟度不断下降,HC和有效燃油消耗率不断增加.综合考虑排放和经济性,确定了八工况下的喷油参数的优化值,八工况稳态测试循环测量结果:NO_x+HC为6.32g·(kW·h)~(-1),PM为0.169 g·(kW·h)~(-1),满足非道路国四排放限值要求.对于非道路柴油机,采用较高的轨压、较小的主喷提前角、少量预喷油量及较短的预喷-主喷喷油间隔,可优化燃烧过程,降低排放,提高经济性.     

基于海上作业数据的船用柴油机排放模型验证（英文）

In this study,a model is developed to simulate the dynamics of an internal combustion engine,and it is calibrated and validated against reliable experimental data,making it a tool that can effectively be adopted to conduct emission predictions.In this work,the Ricardo WAVE software is applied to the simulation of a particular marine diesel engine,a four-stroke engine used in the maritime field.Results from the bench tests are used for the calibration of the model.Finally,the calibration of the model and its validation with full-scale data measured at sea are presented.The prediction includes not only the classic engine operating parameters for a comparison with surveys but also an estimate of nitrogen oxide emissions,which are compared with similar results obtained with emission factors.The calibration of the model made it possible to obtain an overlap between the simulation results and real data with an average error of approximately 7% on power,torque,and consumption.The model provides encouraging results,suggesting further applications,such as in the study on transient conditions,coupling of the engine model with the ship model for a complete simulation of the operating conditions,and optimization studies on consumption and emissions.The availability of the emission data during the sea trial and validated simulation results are the strengths and novelties of this work.     

基于正交分析的柴油机微粒捕集器结构仿真优化

采用微粒捕集器可大幅减少船舶柴油机颗粒物的排放量,但在实际应用中仍然受到背压过大等条件的限制。文章利用GT-Power软件建立了柴油机和微粒捕集器(DPF)联合仿真模型,在柴油机试验台架上进行了模型验证试验,模型误差均在5%以内,满足仿真优化要求。分析了滤体结构中的微孔直径、壁厚、孔隙率、过滤体长度、通道密度对DPF性能的影响,可得微孔直径对捕集效率影响较大;壁厚和孔隙率增加时,过滤体压降和捕集效率均有所增加;过滤体长度和通道密度增加时,压降降低,初始捕集效率升高。通过正交分析法建立正交表并计算得出最佳DPF结构模型。与原模型相比,改进的模型压降由原来的7.16 k Pa下降至3.92 k Pa,初始捕集效率由原来的93.87%上升到94.09%,为DPF结构优化设计提供了理论依据。     

LPG发动机稀燃流场优化及排放特性研究

将传统燃油发动机改装为LPG稀燃发动机,并在进气道内安装涡流挡板,该挡板可作不同进气模式切换,以根据发动机负载达到分层燃烧和均质燃烧两种模式。建立LPG发动机三维数值仿真模型,分别进行稳态、暂态流场优化分析以及缸内油气分布模拟,并通过稀薄燃烧实验与仿真结果进行对比。结果表明：均质模式与分层模式下的稳态流场分析结果与实验结果相吻合,流量系数误差在6%以内;暂态流场表明,分层模式下进气气流因涡流挡板的导引,在气缸内涡流增强,因喷射角度改变,燃料能有效地集中在火花塞中心,其余则为较稀的混合气,形成油气高度分层分布状态,提高稀油极限;稀油极限提高后,可降低LPG发动机CO2、NOx排放量。     

基于神经网络对电控柴油机运行特性影响因素仿真研究

基于AVL-BOOST软件仿真平台建立某船用四缸柴油机仿真模型,标定后的模型进行柴油机全工况仿真计算.仿真出来的3 200组数据作为人工神经网络输入数据,采用贝叶斯统计方法对网络进行训练建立2层的反馈神经网络仿真模型.并分别通过实验、AVL-BOOST和神经网络数据曲线的对比分析,验证人工神经网络预测的准确性.利用验证好的人工神经网络模型预测进排气压力对柴油机转矩的影响,以及预测压缩比和供油定时对柴油机排放性能和动力性能的影响,最后利用扰动法分析不同工况下柴油机各个参数对柴油机性能的影响程度.     

排气阀晚关对大型二冲程低速船机的影响

为了探究排气阀晚关对低速船机的详细影响机制,针对一大型二冲程低速船机建立了三维仿真模型并进行了实验验证,在此基础上仿真研究了排气阀晚关对缸内气流、燃烧过程及低速机性能的影响规律和机制。结果表明：随排气阀晚关角度的增加,燃油喷射后的缸内涡流比缓慢增加,着火滞燃期逐渐延长,最高燃烧压力先大幅降低后小幅上升,指示比油耗先大幅增加后小幅减小,NOx比排放先大幅下降后急剧上升。存在一排气阀晚关角度的临界值,当超出该临界值后,排气阀晚关能够明显增强燃料与空气的混合强度,促进缸内燃烧过程,但NOx比排放会急剧增加。     

柴油机米勒循环结合EGR的性能分析及优化

文章建立了增压柴油机米勒循环结合EGR(废气再循环)的热力学模型,利用模型分析了柴油机设计参数对其性能的影响,为米勒循环结合EGR的增压柴油机参数设计提供了理论依据。研究表明,要使WP7柴油机的热效率和平均有效压力同时提高,增压系统效率需大于0.7。同时,以柴油机转速为1 500 r/min外特性工况点的NO_X排放下降50%、最高爆发压力不超过原机为约束条件,对WP7柴油机参数进行了优化设计。优化结果表明,该方法将有效压缩比从18降低到15.5,再结合12%的EGR率,可以在保持柴油机经济性、动力性与原机基本一致的前提下,将NO_X排放下降50%以上。     

绿色35000吨散货船主机选型优化研究

从节能和减排的角度重点研究主机的选型.通过优化选型,将具有最低燃油消耗量,最低温室气体排放以及最高纯现值的主机选为绿色35000吨散货船的主机.为进一步降低燃油消耗量,通过主机与螺旋桨优化匹配以完成主机的优化选择.优化选择体现在以下四方面:(1)在相同服务航速条件下,采用低转速大直径螺旋桨进一步降低对主机功率的需求; (2)采用低燃油消耗率的主机;(3)采用低的减功率输出方法选择主机,使燃油消耗进一步降低; (4)备选主机的排放要满足IMO及MARPOL 73/78的有关要求.对六种机型进行了对比选择,6S46ME-BSTⅡ型主机因具有最低燃油耗量,最低温室气体排放以及最高纯现值,可作为绿色35000吨散货船的首选主机.该型主机与原来安装的6S42MC7主机相比燃油消耗量的节省可达19.5%.     

An investigation of the performance of an electronic in-line pump system for diesel engines

WIT Electronic Fuel System Co., Ltd. has developed a new fuel injector, the Electronic In-line Pump （EIP） system, designed to meet China＇s diesel engine emission and fuel economy regulations. It can be used on marine diesel engines and commercial vehicle engines through different EIP systems. A numerical model of the EIP system was built in the AMESim environment for the purpose of creating a design tool for engine application and system optimization. The model was used to predict key injection characteristics under different operating conditions, such as injection pressure, injection rate, and injection duration. To validate these predictions, experimental tests were conducted under the conditions that were modeled. The results were quite encouraging and in agreement with model predictions. Additional experiments were conducted to study the injection characteristics of the EIP system. These results show that injection pressure and injection quantity are insensitive to injection timing variations, this is due to the design of the constant velocity cam profile. Finally, injection quantity and pressure vs. pulse width at different cam speeds are presented, an important injection characteristic for EIP system calibration.     

基于正交—主元分析对柴油机燃烧参数匹配优化

基于电控化改造后的4190柴油机,利用AVL—FIRE软件建立天然气—柴油双燃料发动机燃烧室高压循环模型,并与原机进行验证。采用正交试验法以指示功率和NOX生成量为优化目标,并对燃烧参数进行匹配,进行仿真试验。利用主成分分析法对仿真结果进行优化分析,将优化结果与正交试验结果对比并最终代入模型进行检验。通过正交—主成分分析得出：柴油机运行参数对低温燃烧影响的主次顺序与正交试验设计基本一致,且具有更高的可靠性和准确度。优化后的参数为：天然气替代率45%,进气压力0.224MPa,EGR率12.5%,进气温度335.15K,喷油提前角22.7°对应的指示功率为37.83kW,NOX生成质量分数比原机降低78.73%,比极差分析最优组合降低10.92%。该优化方案在保证动力性的前提下可以有效地降低NOX排放。