喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机燃烧稳定性影响研究

基于一台光学发动机,在1200 r/min转速下,采用进气道低压喷射氨气,缸内高压直喷高活性正十二烷的双燃料燃烧模式,应用火焰高速成像方法,研究了喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机缸内燃烧的影响规律.结果表明,直喷燃料喷射压力降低,导致正十二烷浓度分层增大,自燃着火点增多,更有利于正十二烷引燃均质预混合的氨气;直喷压力在30 MPa和60 MPa工况下,火焰初期NH3燃烧的橘色火焰占主导,之后呈现正十二烷预混蓝色火焰与NH3橘色火焰叠加现象;在90 MPa喷射压力下,火焰发展初期正十二烷预混蓝色火焰占主导,随着燃烧发展NH3橘色火焰的比例逐渐增多.在30 MPa喷射压力下,缸内直喷正十二烷可以实现90%氨气比例的稳定着火,但是燃烧反应速率过低,燃烧持续期过长.进气温度从100℃升高到125℃后,自燃着火点数量增加,氨双燃料燃烧反应速率提高,放热率峰值增大;然而进气温度进一步从125℃提高到150℃时,对燃烧压力和放热率影响很小.上述研究表明,较低的直喷燃料喷射压力和适当提高进气温度更有利于氨燃料的稳定着火以及燃烧速率的提升和氨在双燃料中占比的提高.

不同海拔下氢气/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性研究

基于大气模拟综合测试系统,模拟0 m、1 000 m和2 000 m海拔的大气压,对不同海拔下氢气/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性进行研究。研究结果表明:不同海拔下,随着氢气替代率增加,预混合燃烧增强,缸内燃烧速度加快,缸压峰值升高,其对应相位提前;碳烟和CO排放先下降后上升,NO_(x)排放增加,CO_(2)排放减少。随着海拔上升,过量空气系数减小,有效热效率降低。转速为1 600 r/min时,随着海拔高度升高,预混合燃烧减弱,发动机缸压峰值下降,其对应相位推迟;CO排放最低时,与0 m海拔比较,海拔上升至1 000 m、2 000 m,碳烟排放分别增加44.44%和127.78%,CO排放增加8.95%和16.86%,CO_(2)排放增加4.34%和16.86%,碳烟和CO_(2)排放增幅随海拔增加而上升。转速为3 000 r/min时,随着海拔高度上升,缸压峰值略有升高,缸压峰值对应相位提前,预混合燃烧增强;碳烟、NO_(x)、CO和CO_(2)排放升高,排放增幅随海拔升高而增大。与海拔0 m比较,当碳烟排放最低时,海拔上升至1 000 m、2 000 m,碳烟排放分别升高18.67%和56.04%,NO_(x)排放分别上升14.78%和38.40%,CO_(2)排放分别升高7.29%和15.80%;CO排放最低时,海拔上升至1 000 m、2 000 m,CO排放分别上升24.53%和62.87%。

预燃室及喷射阀对双燃料发动机性能的影响

基于三维仿真软件Converge构建了船用低速双燃料发动机仿真模型,并验证了模型的准确性.模拟了不同预燃室通道和天然气喷射阀结构下发动机的工作过程,并分析了不同参数优化燃烧和降低排放的潜力.结果表明:对预燃室通道的研究中,适度增加预燃室通道直径和长度均会促进引燃油着火,加快主燃室燃烧进程,但直径过大会增加NO_(x)排放,长度过长会抑制着火并增大点火能量损失;增加通道角度同样会加速燃烧,但当其与扫气角度一致时,角度越大,NO_(x)排放越高;对天然气喷射阀的研究中,降低阀门位置、增大喷射角度和减小阀门直径均会降低甲烷逃逸量;喷射角度对主燃室涡流比的影响较大,当喷射角度与扫气角度相反时,喷射角度越大,燃烧越快,NO_(x)排放越低;适度减小阀门直径可提高天然气射流速度,进而加速燃烧.

基于混合驱动的双燃料发动机燃烧模型的构建

为实现对处于长时间运行的双燃料发动机燃烧过程的实时映射和在线优化,将Wiebe方程与深度学习神经网络相结合,提出了基于混合驱动的生物柴油/柴油双燃料发动机零维(0-D)预测模型.首先通过鹈鹕算法(POA)对双Wiebe方程参数进行求解;然后利用卷积神经网络结合双向长短时记忆神经网络(CNN-Bi-LSTMNN)建立运行参数和Wiebe参数的参数辨识模型.将Wiebe方程与深度学习神经网络相结合对燃烧过程进行简化、重构,建立基于混合驱动的零维预测模型,进而可以正向求出缸内压力曲线和各种性能结果.结果表明:基于双Wiebe方程结合CNN-Bi-LSTM构建的双燃料发动机零维预测模型具有良好的预测精度和泛化性.模型的开发为双燃料发动机性能的在线评估和优化提供了可靠的数字模型支持.

预喷参数对乙醇/柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响

为了改善乙醇/柴油双燃料发动机工作特性,对一台高压共轨柴油机进气系统改造实现了乙醇/柴油双燃料燃烧模式,并开展了预喷参数(预喷正时、预喷油量和预-主喷间隔)对双燃料发动机燃烧过程和排放特性影响的试验研究。结果表明:提前预喷正时使得双燃料燃烧相位提前,放热率峰值也随之增加;但预喷正时为上止点前(BTDC)22~25°CA时,会导致放热率曲线由双峰分布转变为三峰分布,CO、HC、Soot、甲醛、乙醛和乙烯排放量均降低,而NOx排放量呈现增高趋势,有效热效率(BTE)逐渐降低。在预喷正时为19°CA BTDC时,当预喷油量由2.5 mg/cyc逐渐增加至4.5 mg/cyc时,CO和HC排放量逐渐降低,而NOx排放量逐渐增加,BTE呈先增加后降低的趋势,Soot排放量在预喷油量3.0 mg/cyc下达到最低值0.07 FSN。在预喷策略下,提前主喷正时能够使双燃料发动机主喷燃烧相位逐渐提前并靠近上止点,最大缸内压力增加,CO、HC、Soot、甲醛、乙醛和乙烯排放量显著降低,同时发动机的燃油经济性得到改善;在平均有效压力(BMEP)为1.05 MPa和主喷正时11°CA BTDC的工况下,乙醇/柴油双燃料发动机的BTE达到最高值40.31%。

船用双燃料发动机排放和经济性能分析

某船用发动机在进气歧管加装燃气喷射系统改造为柴油/压缩天然气(CNG)双燃料发动机。为研究其排放性和经济性,分别在燃油模式、燃油模式+选择性催化还原法(SCR)及双燃料模式开展台架试验。结果表明:双燃料模式下发动机氮氧化合物(NO_(x))排放能达到燃油模式+SCR的排放水平,满足《国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL)附则Ⅵ对NO_(x)排放第3阶段(TierⅢ)控制标准,但歧管进气方式导致碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放高,难以满足《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》(GB 15097-2016)。对柴油/CNG双燃料发动机存在较高的HC和CO排放,MARPOL附则Ⅵ未作出限制,存在缺陷,有待修订完善。该发动机燃油模式+SCR及双燃料模式均满足TierⅢ,若其装船的船舶在MARPOL公约附则Ⅵ规定的排放控制区航行,尽管发动机采用燃油模式油耗率更低,但从燃料成本考虑,双燃料模式经济性更好。研究结果期望为船舶营运管理及行业公约、法规的修订提供参考。

替代率对某船用中速双燃料发动机性能的影响

为了改善某船用中速柴油机的燃油经济性和排放特性,对进气歧管加装天然气喷射装置的柴油/天然气双燃料发动机进行研究。基于仿真软件GT-Power,在螺旋桨推进特性的工况下,分析了某船用双燃料发动机纯柴油模式和双燃料模式下的缸内压力、燃油经济性和排放特性。结果表明:与纯柴油模式相比,双燃料模式的气缸峰值压力和NO_(x)排放量有所减少,NO_(x)排放量最多减少41.3%;随着天然气替代率的增加,发动机的燃油经济性最多提高了16.08%。综合来看,双燃料模式下发动机性能得到提升。

基于LSTM-PSO-SVM的船用LNG双燃料发动机故障预测

针对船用LNG双燃料发动机设备复杂,故障预测效率低、准确度差的问题,提出一种长短期记忆网络与改进粒子群优化算法优化支持向量机融合的预测模型。利用LSTM模型时间序列变化的能力对设备未来的运行状态进行预测,然后采用非线性自适应惯性权重改进PSO算法对SVM参数进行寻优,以提高其寻优能力和收敛速度;改进的LSTM-PSO-SVM融合模型可实现对设备故障状态的快速、准确预测。通过对某船用LNG双燃料发动机的故障预测仿真,结果表明上述模型具有更高的故障识别准确率和更快的识别速度,能够准确预测船用LNG双燃料发动机潜在故障。

中国船级社完成首台现役营运船主机改装为甲醇双燃料发动机项目

8月19日,中国船级社(CCS)首台现役营运船主机改装为甲醇双燃料发动机项目证书颁发仪式在宁波举行。CCS为浙江浙能迈领环境科技股份有限公司的“领先1”轮主机颁发了改装甲醇双燃料主机产品证书和船机防止空气污染证书。此次证书的签发标志着CCS在助力我国绿色能源核心设备国产化方面取得又一重要成果,在保障我国绿色能源安全等方面迈出了坚实的一步,也是CCS携手业界贯彻新发展理念、服务构建新发展格局、响应节能减排和助力我国“双碳”目标落实,推动船用产品制造业高质量发展的成功范例。

双燃料发动机温室气体排放预测和影响因素分析

基于柴油-天然气双燃料发动机测试台架中等转速(1500 r/min)下400,800,1200,1600 N·m 4个扭矩工况的试验数据,以发动机扭矩、喷油正时、喷油压力和天然气替代率为模型输入参数,以温室气体CO_(2)和CH_(4)排放值为模型输出参数,构建了基于粒子群算法优化的BP神经网络的温室气体排放预测模型。模型的预测结果显示:在测试集上CO_(2)和CH_(4)排放预测值的决定系数(R 2)分别为0.99762和0.99809,平均绝对百分比误差(MAPE)分别为0.97%和3.85%,模型具有良好的泛化能力和预测精度。基于构建的排放预测模型,采用平均影响值(MIV)算法分析了发动机在中等转速工况下扭矩、喷油正时、喷油压力和天然气替代率对CO_(2)和CH_(4)排放的影响,结果显示发动机扭矩对CO_(2)和CH_(4)排放的影响占主导地位,贡献率分别达到了71.8%和50.8%;当模型中发动机扭矩设定在小负荷工况,天然气替代率对CO_(2)和CH_(4)排放的影响权重最大。

基于神经网络的天然气双燃料发动机性能预测

基于柴油/天然气双燃料发动机测试台架试验数据,以发动机扭矩、转速、喷油时刻、喷油压力和天然气替代率、过量空气系数为模型输入参数,以发动机燃油消耗率和CO、NO_(x)、总烃(THC)排放体积分数和碳烟排放量为模型输出,构建了基于逆向传播(BP)神经网络和遗传算法(GA)优化的GA-BP神经网络的预测模型,并将预测结果与试验值进行对比验证。研究结果表明:GA-BP神经网络模型相比BP神经网络模型具有更好的预测性能;GA-BP神经网络模型对5个输出参数预测的平均绝对百分比误差M_(APE)均小于6%,并且决定系数R^(2)均大于0.97,模型具有较高的预测精度和泛化能力。

预燃室通道直径和形状对低速天然气双燃料发动机爆震的影响

基于三维数值仿真模拟研究了预燃室与主燃室之间通道直径及扩口型和缩口型等通道形状对发动机爆震的影响。研究结果表明:在爆震工况下,预燃室的通道直径越小则火焰射流冲击所引起的压力差越小,从而降低火焰面放热进一步产生的压力差增强效果,最终降低爆震强度。扩口型预燃室通道会减小初始压力差的强度,但是会产生火焰射流持续喷向主燃室的现象,该现象会持续增加压力差的强度,最终提高爆震强度。相反,缩口型预燃室通道可以减少这一现象的发生从而减轻爆震强度。

柴油/天然气双燃料发动机油气耦合分层燃烧

针对柴油/天然气反应活性控制压缩点火发动机低负荷热效率低、未燃CH_(4)和CO排放高等问题,本文提出了一种发动机双进气道双阀燃气独立喷射方法,通过三维CFD仿真,对比研究了双阀燃气喷射比例对缸内油气耦合分层、燃烧以及排放特性的影响规律。结果表明:双阀燃气喷射比例对缸内混合气形成和燃烧过程有重要影响,通过微量柴油分段喷射和调整双阀燃气喷射比例,缸内能够形成高低反应活性燃料的耦合分层,缸压和放热率峰值增加,峰值相位提前,燃烧持续期缩短,未燃CH_(4)和CO排放总体呈现下降趋势。当双阀中直管燃气喷射比例为80%时,不仅能够提高发动机热效率,并且可以在NO排放不增加的情况下实现CH_(4)和CO排放的同时降低。

喷射正时和喷油持续期对正丁醇-正辛醇双燃料发动机性能的影响

将正丁醇、正辛醇分别作为预混合直喷燃料应用于双燃料发动机中,并利用KIVA4-CHEMKIN程序研究喷射正时和喷油持续期对正丁醇-正辛醇双燃料发动机燃烧及排放特性的影响。结果表明:喷射正时从5°提前到-10°时,可以提高发动机的缸内平均压力、热释放率(heat re⁃lease rate,HRR)峰值和平均指示压力(indicated mean effective pressure,IMEP),减少CO排放量,但会使最大压力升高率和NOx排放量增加。当喷射正时进一步提前到-15°时,会导致机械损失增加,IMEP下降。延长喷油持续期可以降低缸内平均压力、HRR峰值、最大压力升高率和NOx排放量,提高IMEP,但会使CO排放量先减少后增加。

双燃料发动机油雾-燃气混合探测装置研制

针对传统的柴油机油雾探测器只能探测颗粒状油雾质量浓度,而传统的可燃气体探测器只能探测气态介质的体积分数,开发了一款新型双燃料发动机油雾-燃气混合探测器。该装置能够同时探测油雾质量浓度和燃气体积分数,并且可在不同混合比例下按不同的爆炸极限进行报警。

气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油/天然气双燃料发动机的研究

采用气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油 /天然气双燃料发动机方案 ,对斯太尔 WD6 15 .6 4增压非中冷柴油机进行了改装。试验结果表明 ,改装后的发动机 NOx、颗粒和 NMHC排放均达到了欧 排放指标。 CO和 HC(含甲烷 )可以通过后处理解决。

增压中冷柴油-天然气双燃料发动机燃烧特性的实验研究

对天然气替代率、引燃柴油喷油时刻和中冷后进气温度等燃烧系统参数对增压中冷柴油 天然气双燃料发动机燃烧特性的影响进行了实验研究。研究结果表明:增压中冷柴油 天然气双燃料发动机的燃烧放热速率比纯柴油快,引燃柴油的着火时刻和缸内燃料空燃比值决定着双燃料发动机的燃烧特性,即着火时刻在上止点前且空燃比值较小时,其燃烧接近于定容燃烧过程,随着天然气替代率的升高,缸内最大爆发压力和最高燃烧温度升高;而着火时刻在上止点后且空燃比值较大时,其燃烧接近于等压燃烧过程,随着天然气替代率升高,缸内最大爆发压力和最高燃烧温度降低。最大爆发压力、最高燃烧放热率和最高燃烧温度随引燃柴油喷油提前角的增大而升高;而随着进气温度升高,最大爆发压力和缸内温度增大。

双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究

从热力学和内燃机燃烧的基本理论入手 ,推导了计算分析双燃料发动机缸内工质成分和热力学参数的计算关系式以及求解双燃料发动机燃烧放热规律的微分方程式 ,基于面向对象技术开发了双燃料发动机燃烧放热规律计算软件。研究结果表明 :用传统柴油机分析方法计算双燃料发动机的放热率峰值偏小 ,所计算的缸内工质平均温度偏高 ,新模型计算的结果与实际情况更为吻合。该分析软件可以适用于多种燃料发动机 ,是内燃机燃烧放热规律的通用计算软件。双燃料发动机燃烧特性研究表明 :双燃料发动机初始放热率比纯柴油大 ,若着火始点在上止点后 ,双燃料缸内最大爆发压力比纯柴油低 ,否则比纯柴油高 ;控制双燃料发动机着火始点是控制缸内最大爆发压力和 NOx 排放的关键 ,双燃料发动机着火始点应在上止点后 ,可以使发动机爆发压力和 NOx 排放比纯柴油低。

乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究

研究了气口预喷射乙醇、缸内直喷生物柴油双燃料系统的燃烧特性和排放特性。研究表明，随着乙醇预混合比的增加着火时刻推迟，峰值放热率增加。在较小的总当量比下，峰值放热率增加幅度不大，最大气缸压力和最高温度降低，放热结束时刻差别较小。在较大的当量比下，燃烧持续时间拉长；但随着乙醇比例的增加峰值放热率增加很快，放热结束时刻显著提前，最大压力升高率在预混合比例为20％-40％的某点达到极值，此时热效率最高。乙醇的加入使得HC和CO排放明显增加，但是却使得NOx和碳烟排放同时大幅度下降。在1800r／min的各种负荷下，NOx和碳烟排放相对纯生物柴油降低35％-85％。

甲醇/柴油双燃料发动机的性能

在一台柴油机基础上,采用气道口电控喷射甲醇,缸内柴油引燃甲醇的方式,开发了电控甲醇/柴油双燃料样机,并通过发动机台架实验,研究了柴油/甲醇双燃料燃烧模式在燃烧特性、燃油经济性及排放性能方面的特点.与原发动机相比,双燃料模式的最高爆发压力下降,压力升高率上升,排烟和NOx大幅度下降,但THC和CO排放均升高.该方法能使甲醇喷射量得到精确控制以便燃烧达到最佳状态,是甲醇/柴油双燃料发动机可行的技术方案.