船舶雙燃料發動機系統優化研究

劉西帥

摘 要 天然氣是目前普及范圍最廣的清潔能源，燃燒產物主要是H2O和CO2，同時硫含量也極低，可以有效降低SOx排放。因此，天然氣作為一種綠色、環保、安全的清潔能源，有望成為船舶動力領域首選綠色能源。本文在對船舶雙燃料發動機概念展開概述的基礎上，對船舶雙燃料發動機系統的優化進行了分析，并對雙燃料發動機的發展予以展望，以供參考。

關鍵詞 船舶雙燃料發動機;故障診斷;系統優化研究

引言

隨著石油資源的逐漸緊缺，尋找發動機替代能源成為各國政府和相關研究機構共同關注的問題。天然氣（NG）的主要成分是CH，它是一種清潔燃料。與石油資源相比，中國擁有比較豐富的天然氣資源，從能源供應結構出發，政府首先鼓勵和支持天然氣發動機的發展。雙燃料發動機（一般指柴油/天然氣發動機），以天然氣為主要燃料，可以克服柴油機NO和PM高排放的缺點，使發動機在整個工作過程中幾乎可以無煙運行，并且與我國現階段的天然氣供應狀況相適應，因此具有良好的發展前景。

1船舶雙燃料發動機概述

雙燃料發動機指的是能夠選用天然氣作為燃料，也能夠選用燃油作為燃料，支持兩種模式的相互轉換。雙燃料發動機的使用靈活，改動程度小成本低，可以有效減少碳煙的排放，在航運業得到了廣泛的應用，有著良好的推廣前景。在保證主要結構不變的情況下，增加天然氣供氣系統，電子控制系統以及液壓系統，使發動機能夠在各模式之間完成轉換。但雙燃料發動機雖然經濟性有所提高，但其發生故障的概率有所上升，故障維修的難度較大，問題較多。與傳統發動機相比較而言，雙燃料發動機的結構復雜，情況多變，發動機各部分之間相互影響，是典型的非線性系統，造成其故障源與故障之間的表現形式不是一對一的簡單映射關系，存在一對多或者多對一的現象。為此需要對發動機系統進行優化，以保證其正常運行。

2船舶雙燃料發動機系統優化

2.1 關鍵零部件結構優化

發動機的關鍵零部件的設計對發動機的性能有很大影響。這些零部件的優化設計，可以提高發動機的性能、壽命和可靠性，從而降低成本、提高經濟性。但在優化過程中需反復多次調用求解模型，優化效率極低。未來對于此類零部件的優化會越來越依靠于近似模型的引入?？梢酝ㄟ^響應面法、神經網絡和縮減基法等近似模型建立目標場函數與設計參數之間的近似關系，并且開發相應的誤差估計方法。還應將好的近似數值模型與全局收斂性能較好的遺傳算法、模擬退火法等相結合，引入相應的自適應算法，進行快速優化。另外，利用并行算法和其他高性能計算技術也是提高優化效率的一條途徑。

2.2 發動機整機減振優化

隨著發動機質量越來越輕，而其功率和轉速不斷提高，振動和噪聲問題越來越突出。振動不僅影響到發動機自身的強度和性能，而且會給乘員舒適性造成很大的影響。除了對發動機本身結構進行改進外，對發動機的減振系統進行優化也是一條提高船舶整體振動性能的有效途徑。傳統的彈性減振系統已無法滿足舒適性要求，未來的趨勢是半主動減振和主動減振控制系統，即能根據發動機激勵、載荷等自動調節系統參數優化船舶動力學特性，實現主動減振。發動機的減振系統是一復雜的非線性系統，而神經網絡因其自身的非線性映射能力在未來發動機減振系統的優化設計中具有很大的潛力。另外，由于發動機動力系統的復雜性，在模型、載荷、激勵等方面都具有很大的不確定性，減振系統的優化不可避免地應考慮系統不確定性的影響，可以利用模糊集或區間數學理論結合神經網絡進行不確定性優化，以提高減振系統的可靠性和魯棒性。

2.3 燃燒與排放系統的優化

發動機的燃燒和排放系統直接影響到發動機的經濟性、噪聲、排放等重要指標，影響到節能與環保性能。對燃燒與排放系統的優化可從兩個方面進行。一方面是燃料噴射系統的優化，可通過電控單元精確控制各氣缸的燃油噴射量，自由控制發動機的轉矩，使得發動機具有良好的啟動性能和最佳的輸出響應特性，并使得氣缸達到最佳混合氣狀態，提高燃油熱效率，降低噪聲，另一方面是優化進氣管系的結構參數，改進發動機燃燒室，優化壓縮比。未來的燃燒與排放系統的設計，應當綜合考慮噴射系統和發動機結構，同時注重結構、燃燒、流體、噪聲等不同專業領域的性能提高，進行多學科優化設計。

3雙燃料發動機的發展動向

3.1 從常規噴射向微噴射發展

普通的雙燃料發動機，其引燃柴油噴射系統仍采用原柴油機上的噴油系統，發動機工作在雙燃料方式時，通過機械或電控執行器減小噴油泵的供油量，通常噴油泵的最小供油量可以達到全負荷油量的5%。這樣引起的主要問題是：首先，是噴油器的噴油量過小，容易導致噴油器過熱;其次，是在雙燃料工作方式，發動機的NO排放雖比原柴油機低，要想進一步降低NO排放，必須減少引燃柴油循環噴油量;再有，就是在雙燃料工作方式，發動機的煙度大幅度減少，但顆粒（PM）排放仍較高，減小顆粒排放，必須減少引燃柴油循環噴油量;最后，是從經濟性考慮，柴油消耗量越少越好，因此也有必要減少柴油噴射量 。

3.2 從預混合進氣向缸內噴射發展

為了減少預混合掃氣短路損失，強化缸內燃燒過程，提高雙燃料發動機的經濟性，一些最新的技術采用天然氣缸內噴射技術，將天然氣和柴油高壓噴人燃燒室，這樣發動機可以保證高壓縮比和高強化前提下，同時獲得好的經濟性和低的排放，特別是低的NO 排放數值J。

4結束語

總之，雙燃料發動機（一般指柴油/天然氣發動機），以天然氣為主要燃料，可以克服柴油機NO 和PM高排放的缺點，使發動機在整個工作過程中幾乎可以無煙運行，并且與我國現階段的天然氣供應狀況相適應，具有良好的發展前景。因此，對其進行優化，是一項非常重要的課題。

參考文獻

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