【摘要】：近年來(lái),石油等化石能源儲(chǔ)量日益匱乏,社會(huì)對(duì)其的需求量不斷增長(zhǎng),IMO MEPC制定了越來(lái)越嚴(yán)苛的船舶排放法規(guī),這些無(wú)疑對(duì)船舶柴油機(jī)節(jié)能環(huán)保水平提出了更高的要求,促使船舶柴油機(jī)朝著節(jié)能和低排放的方向發(fā)展。天然氣具有燃燒溫和、熱值高、低排放的特點(diǎn),天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)受到人們的關(guān)注。本文將基于4190Z_LC-2型柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),應(yīng)用AVL-FIRE軟件建立天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)工作模型,在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,研究了發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)水平變化對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響規(guī)律,并對(duì)主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化匹配的研究。首先,通過(guò)4190 Z_LC-2型柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及AVL-BOOST整機(jī)模型計(jì)算得到仿真模型的初始條件和邊界條件,利用AUTO-CAD軟件依據(jù)4190 Z_LC-2型柴油機(jī)燃燒室實(shí)測(cè)的幾何尺寸,繪制二維模型圖;然后將其導(dǎo)入到AVL-FIRE的ESE模塊,ESE模塊自動(dòng)完成劃分、檢查、生成三維網(wǎng)格;在FIRE的氣相反應(yīng)模塊中添加適合天然氣-柴油混合燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理文件。然后將模型仿真得到的缸壓曲線(xiàn)與臺(tái)架試驗(yàn)得到的缸壓曲線(xiàn)進(jìn)行比較,驗(yàn)證了建立模型的準(zhǔn)確性,完成天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型的建立;其次,利用所建立的燃燒室三維仿真模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。在額定工況下,通過(guò)FIRE計(jì)算得到的二維、三維結(jié)果研究分析運(yùn)行參數(shù)中天然氣替代率、EGR率、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、噴油提前角5個(gè)重要的單參數(shù)水平變化對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性的影響規(guī)律;其中在額定工況下,天然氣替代率分別為40%、50%、60%、70%;EGR率為0、7.5%、10%、12.5%;進(jìn)氣壓力為0.173MPa、0.193MPa、0.213MPa、0.223MPa;進(jìn)氣溫度為325.15K、335.15K、345.15K、355.15K;噴油提前角為16.6°、18.6°、20.6°、22.6°。最后,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排仿真計(jì)算,對(duì)前文5個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化匹配研究,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行極差分析,與前文單參數(shù)優(yōu)化方案進(jìn)行比較分析,得到了以指示功率、NOx排放量為評(píng)價(jià)指標(biāo)的初步優(yōu)化組合;然后,采用一次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)這5個(gè)運(yùn)行參數(shù)和它們的2組參數(shù)交互作用進(jìn)行研究,對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)再優(yōu)化,建立起回歸方程數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型,對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、極差分析、一次回歸正交設(shè)計(jì)三個(gè)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較分析,得到評(píng)價(jià)指標(biāo)最佳的參數(shù)組合,為天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和改造提供指導(dǎo)。
【圖文】：

總管進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，只需要一套混合器和燃?xì)夤⿷?yīng)系存在可燃混合氣，具有爆炸的危險(xiǎn)；同時(shí)由于采用預(yù)混合燃燒，對(duì)燃進(jìn)氣是在發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)進(jìn)氣支管安裝一個(gè)噴射閥或在氣缸蓋安裝燃?xì)鈬姷娜細(xì)鈬娚溲b置可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)噴射，單缸可實(shí)現(xiàn)空燃比、燃?xì)夤⿷?yīng)量的發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，降低氮氧化物排放。但是支管進(jìn)氣仍有爆燃問(wèn)題，偏高。電火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)以純天然氣為燃料，多用于四沖程機(jī)。如圖 1-1 所示，天然氣道時(shí)，與空氣在進(jìn)氣道預(yù)混合，然后形成混合氣進(jìn)入氣缸，在壓縮行，點(diǎn)燃混合氣。該類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力偏低，一般小于 0.5MPa。斯·羅伊斯公司一直致力于氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)研究，開(kāi)發(fā)出了以純天然式的船用氣體發(fā)動(dòng)機(jī)。1991 年該公司研制出了第一臺(tái)稀薄燃燒氣體船用電力推進(jìn)氣體發(fā)動(dòng)機(jī)。該公司的氣體發(fā)動(dòng)機(jī)主要型號(hào)為 Bergen26:33 兩種系列，功率范圍在 1450-8760KW 之間。

圖 1-2 低壓雙燃料四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖高壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可在不同的燃?xì)夂腿加捅壤禄蚣儾裼湍Ｊ较逻\(yùn)行，工作原理如機(jī)運(yùn)行時(shí)，只吸入空氣，空氣在壓縮行程被壓縮，可以達(dá)到較高的壓縮比專(zhuān)業(yè)壓縮機(jī)壓縮至 20-35MPa 的高壓，在壓縮終點(diǎn)由獨(dú)立的噴射閥噴入也噴入氣缸，，進(jìn)而引燃混合氣。該類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)在大型低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上
【學(xué)位授予單位】：集美大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：U664.1

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