基于模糊分析的船用柴油机燃用生物柴油性能优化

为优化生物柴油/柴油船用发动机的综合性能,利用AVL-Fire软件构建混合燃料发动机燃烧室模型,将仿真值与台架试验值进行对比验证其准确性,并通过燃用不同比例的生物柴油确立其最佳掺混比;最后,采用正交试验设计安排5个发动机运行参数进行多参数优化匹配,将NO排放量和指示功率作为评价指标,权重分别设置为0.6和0.4,对试验结果进行模糊数学分析。结果表明:对发动机性能影响大小顺序为EGR率(a_(1))、进气压力(a_(2))、进气温度(a_(3))、喷油提前角(a_(4))、喷油孔直径(a_(5));最优参数组合为:生物柴油掺混比30%、a_(1)=12.5%、a_(2)=0.173MPa、a_(3)=315.15K、a_(4)=18.6°CA、a_(5)=0.32mm,该组指示功率为52.7kW与原机55kW相比略低,NO排放量为5.37×10^(-5)%相比于原机8.5×10^(4)%降低了94.7%。该方法可以在保证发动机动力性的前提下,大幅降低NO排放量。

船用双燃料柴油机多参数优化匹配分析

为了减少实验次数,寻找最佳参数匹配,使用正交实验设计方法,选取异戊醇掺混比、喷油提前角、进气温度、扫气压力4个参数的各4个水平进行仿真实验,以NO质量分数和指示功率作为实验的评价指标进行正交设计,运用数据极差分析寻求最佳参数组合。结果表明,得到的最优参数为:异戊醇掺混比为体积分数40%,喷油提前角为22.6°,进气温度为315.15 K,扫气压力为0.233 MPa。在此参数组合下得到最终生成的NO质量分数为0.01102%,指示功率为52.10 kW。可见,在动力性损耗较小的情况下可以实现较高的异戊醇掺混比。

喷油提前角及孔径对二甲醚/柴油发动机性能的影响

为了研究二甲醚/柴油双燃料发动机在不同喷油提前角及喷孔直径下的缸内燃烧特性和排放性能影响,以电控改造后4190Z_(L)C-2型中速柴油机为试验平台,建立仿真模型,并验证其准确性。结果表明:喷油提前角从16.6°CA BTDC增加到22.6°CA BTDC,缸内压力和温度曲线增大,放热率前移,但其峰值有所下降。通过缸内速度场和温度场云图可知,速度场分布规律与缸内压力和温度曲线相同,温度场升高速率提升,油气混合更为充分,提高了发动机动力性,同时NO排放显著增加,CO排放无明显变化,CH_(2)O排放略有降低。随着喷油孔直径减小,油束形成更为细小液滴,蒸发雾化过程速率加快,喷入缸内气体混合更加充分,燃烧更旺盛,缸内爆发压力和最高温度都呈上升趋势。缸内湍流动能增大,提升混合气体的质量。缸内温度小幅上升,soot排放得到抑制,NO排放略有增加,指示油耗率出现先减少后增加趋势,指示功率则是先增加后减少。该研究对DME/柴油发动机性能研究提供理论基础。

掺烧丁醇耦合米勒循环降低发动机NO和PM排放的仿真研究

由于发动机机内净化技术在降低颗粒和NO排放方面存在trade-off效应,即降低NO排放会导致颗粒排放增加,为了缓解柴油机NO和PM排放之间"此消彼长"的矛盾,提出掺烧丁醇耦合米勒循环的仿真方案。利用AVL-FIRE软件建立4190Z_(L)C船用柴油机燃烧室仿真模型并验证了模型正确性;依据所建立的三维仿真模型,在额定工况下分析了丁醇掺混比、米勒度以及二者的耦合对柴油机排放特性的影响;以动力性能为约束条件,降低排放为评价指标,改变压缩比对耦合方案进行优化。仿真计算表明,掺混比B30结合米勒度M20方案与压缩比16.5匹配最优。在指示功率与原机保持一致的基础上,指示油耗率降低3.02%,NO质量分数降低13.6%,PM质量分数降低34.01%。

喷油压力对电控船用中速柴油机性能的影响

为了研究船用4190型柴油机电控化改造后,喷油压力对柴油机性能的影响,利用AMESim软件,建立电控燃油喷射系统仿真模型,通过正交试验设计方法安排燃油系统参数仿真计算,以实现燃油喷射特性的优化;同时基于AMESim与AVL_FIRE软件耦合,将优化结果导入柴油机缸内燃烧模型,进行仿真计算,以完成不同喷油压力对柴油机性能影响的综合分析。结果表明,当参数组合为:喷孔直径0. 22 mm、凸轮型线速度0. 46 mm/(°)、柱塞直径14 mm、高压油管长度1000 mm时,喷油压力为125 MPa;当参数组合为:喷孔直径0. 26 mm、凸轮型线速度0. 43 mm/(°)、柱塞直径14 mm、高压油管长度800 mm时,喷油压力为105 MPa。喷油压力提高,改善了柴油机燃烧质量,使得油耗率较原机降低约14. 3%与7. 2%,但NO_x排放质量分数分别升高约50%和11%,因此,需要兼顾柴油机的经济性与动力性进一步优化排放。

双燃料船用柴油机仿真模型建立与参数优化

以实验室现有的4190型船用柴油机为研究对象,利用AVL-FIRE软件建立双燃料发动机仿真模型.通过对三维流场的分析?得出了天然气替代率对柴油机燃烧过程的影响规律,并改变燃油喷射时刻优化燃烧.研究结果表明?在其他热力条件不变的情况下,替代率80%和90%相对于70%NOX排放分别降低了约22%和35%,但SOOT排放分别增加约6%和9%,选取了3个喷油时刻700°CA、703CA°CA和706°CA进行优化,得出随喷射时刻的延后,NOx生成量降低明显?但SOOT排放量略微升高.

双燃料发动机进气道加湿燃烧性能仿真

针对柴油机因掺烧生物柴油而带来的NOx排放浓度升高的问题,提出了柴油-生物柴油结合进气道加湿的方法,对4190柴油机进行仿真。将台架试验数据与仿真结果进行对比,以验证模型的准确性。设置4组生物柴油掺混比及4组水油比进行仿真分析。在生物柴油掺混比为30%、水油质量比为2时,指示功率为52.4 kW,比原机指示功率下降4.73%,NO生成质量分数为5.88×10^-5,比原机仿真数据降低76.85%。该优化方案在保证动力性的前提下能极大地降低NOx排放,为生物柴油实际应用提供一定的指导。

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。

4190型柴油机掺烧丁醇低温燃烧特性

为了研究丁醇掺混比和EGR率(exhaust gas recirculation)对柴油机燃烧性能的影响,利用AVL_FIRE仿真软件,基于4190ZLC-2型船用中速柴油机,建立燃烧室高压循环模型,并验证模型的准确性。采用仿真的方法,研究在低温条件下柴油机掺烧丁醇对其燃烧特性和性能的影响。在确保柴油机正常燃烧的基础上得到最终优化结果:丁醇掺混比B20;EGR率12.5%;喷油提前角20°;进气压力0.213 MPa。分析表明:引入废气再循环(EGR)可以较好的实现低温燃烧,但EGR过大,混合气体氧浓度含量降低,容易造成燃烧不充分现象;柴油中掺混丁醇可以明显改善低温燃烧环境,但掺混比过大容易造成滞燃期过长,出现失火现象;适当提高喷油提前角能使滞燃期延长,避免粗暴燃烧,有效提高放热率和柴油机的动力性和经济性;进气压力提高,增加混合气体氧含量和扰动性,有效提高柴油机的动力性。

新型相继增压系统对船用柴油机性能影响的研究

将传统定涡轮相继增压系统的主增压器替换为可变截面涡轮增压器(variable geometry turbocharger,VGT),完成VGT相继增压(sequential turbo charging,STC)系统改造及其开度控制装置设计。通过试验,研究0%、10%、25%、40%、55%、70%、85%和100%这8种开度对STC-VGT增压柴油机分别以单/双涡轮运行的性能影响建立多目标灰色决策模型,通过主客观赋权的方法计算得出单/双涡轮运行时,各研究负荷所对应的最佳VGT开度,并根据燃油经济性最优原则确定STC-VGT系统单/双涡轮切换点为50%负荷、切换开度为0%。最后,对STC-VGT系统性能进行评估。结果表明:相比原机,STC-VGT系统主增压器单独运行时动力性改善明显,NO_(x)排放量升高,碳烟排放量降低,同时随着负荷的增加,燃油消耗率均呈现先降低后升高的趋势;系统双涡轮同时运行,当VGT开度大于70%时,动力性整体相比原机有所下降,最大降幅约为1.16 MPa,NO_(x)排放量降低,碳烟排放上升,燃油消耗率整体高于原机。该系统以各负荷最佳VGT开度运行时,燃油经济性整体优于原机,且负荷在10%~80%范围内时燃油经济性也优于传统定涡轮相继增压;同时碳烟排放性能整体优于原机和传统定涡轮相继增压,但NO_(x)排放特性相反。柴油机采用STC-VGT系统时,动力性、经济性和碳烟排放性均得到有效提升,但NO_(x)排放性能有所下降。

双燃料发动机运行参数匹配优化对油耗率的影响

为了研究天然气-柴油双燃料发动机运行参数匹配对综合油耗率的影响,利用AVL-FIRE仿真软件建立双燃料发动机燃烧室高压循环模型,运用一次回归正交试验设计方法安排系统运行参数进行仿真计算,建立综合油耗率生成的回归方程,并对其进行方差分析和失拟性检验,运用该回归方程找出综合油耗率最小的参数组合。结果表明,综合油耗率经过一次回归正交试验设计优化后相比正交试验设计的降低约0. 53%;综合油耗率最小(169. 3 g/(kW·h))的参数组合为:天然气替代率40%; EGR率0;进气温度325. 15 K;进气压力0. 223 MPa;喷油提前角22. 6°。

燃油系统参数优化对双燃料船用发动机性能的影响

基于4190ZLC-2型船用中速柴油机,利用AVL FIRE仿真软件建立天然气/柴油双燃料发动机燃烧高压循环模型;采用一次回归正交试验设计方法对燃油系统5个参数进行优化,建立以油耗率和NO_X排放量为目标函数的数学预测模型,进而找出油耗率和NO_X排放量最优的参数组合。结果表明:建立的油耗率、NO_X排放量数学预测模型精确度较高,预测值与仿真值误差低于3%,可用于参数优化匹配研究;优化后的油耗率和NO_X排放量相比正交试验设计最优组合分别降低约3.8%和98%;油耗率最小的参数组合为:70%-0-355.15 K-0.223 MPa-22.6°CA(天然气替代率-EGR率-进气温度-进气压力-喷油提前角);NO_X排放质量分数最低的参数组合为:67%-12.5%-336.55 K-0.205 MPa-21.88°CA(天然气替代率-EGR率-进气温度-进气压力-喷油提前角)。