船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)噴油策略仿真研究

摘 要：本文針對(duì)船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ较乱既加蛧娚湔龝r(shí)進(jìn)行研究，利用一維建模軟件AVLBOOST建立WinGD7X82DF船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，在完成模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，研究燃?xì)饽Ｊ较轮懈哓?fù)荷（75%）引燃燃油噴射正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能及排放性能的影響。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)動(dòng)力性能和排放性能均受噴油正時(shí)影響，且兩種性能隨噴油正時(shí)的變化規(guī)律存在差異，選擇噴油正時(shí)為-10°CA ATDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在經(jīng)濟(jì)動(dòng)力性能較好的狀態(tài)；噴油正時(shí)為-5°CA ATDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)較少的NOx排放。

關(guān)鍵詞：雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；AVLBOOST；噴油正時(shí)；性能；排放

在全球船舶工業(yè)持續(xù)繁榮的浪潮中，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船舶的激增不僅引領(lǐng)了航運(yùn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型，也加速了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的革新與應(yīng)用［1］。這類發(fā)動(dòng)機(jī)以其卓越的能效與環(huán)保性能，成為船舶動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)選方案，有效降低了航行過程中二氧化碳、氮氧化物及硫氧化物的排放，積極響應(yīng)并超越了國際海事組織對(duì)船舶排放的嚴(yán)格限制［2］。大型二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，作為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船等特種船舶的核心動(dòng)力源，其運(yùn)行效率與穩(wěn)定性直接關(guān)系到船舶的運(yùn)營(yíng)成本與競(jìng)爭(zhēng)力。鑒于天然氣的高著火溫度特性，船舶工業(yè)巧妙地采用引燃燃油輔助點(diǎn)火技術(shù)，通過精確控制的燃油噴射系統(tǒng)，點(diǎn)燃被高度壓縮的天然氣混合氣，驅(qū)動(dòng)活塞高效運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與輸出，展現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新在推動(dòng)航運(yùn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵作用［3］。

噴射策略主要通過改變缸內(nèi)新鮮空氣和燃料的混合，從而影響混合氣的形成，以塑造理想的混合氣，混合氣的品質(zhì)直接關(guān)系到燃燒過程的順暢程度［4］。經(jīng)由對(duì)缸內(nèi)混合氣的優(yōu)化，可以進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，從而實(shí)現(xiàn)油耗的削減、性能的提升及排放的減少。特別是在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的背景下，鑒于兩種燃料的混合與燃燒過程的復(fù)雜性，噴射策略的設(shè)定就顯得格外重要［5］。不同的噴射策略會(huì)導(dǎo)致兩種燃料以不同形式混合，進(jìn)而改變缸內(nèi)的燃燒特性，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率、油耗以及排放性能［6］。因此，本文采用模型仿真法，旨在深入探究船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)噴油策略與其性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

1 模型仿真

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

本文聚焦于WinGD7X82DF型船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，作為一款先進(jìn)的動(dòng)力裝置，其獨(dú)特設(shè)計(jì)旨在滿足高效能與環(huán)保排放的雙重標(biāo)準(zhǔn)。表1詳細(xì)列出了該機(jī)型的核心規(guī)格參數(shù)，包括但不限于缸徑、沖程、功率輸出及燃料適應(yīng)性等關(guān)鍵指標(biāo)，為后續(xù)性能研究與優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

利用AVL BOOST軟件，我們采用模塊化構(gòu)建策略，精準(zhǔn)搭建了一維雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的高精度仿真模型，如圖1所示。該模型全面覆蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件與運(yùn)行流程，為深入分析雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供了強(qiáng)有力的工具與平臺(tái)。

由圖1可見，本文構(gòu)建的模型涵蓋進(jìn)排氣系統(tǒng)模塊、燃油噴射系統(tǒng)、天然氣進(jìn)氣路徑、氣缸體結(jié)構(gòu)及渦輪增壓器模塊，并特別增設(shè)了穩(wěn)壓腔設(shè)計(jì)，以精準(zhǔn)模擬二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)特的掃氣過程，確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的高效性與準(zhǔn)確性，全方位提升模擬分析的深度和廣度。

1.3 仿真模型驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)模型構(gòu)建完成后，為確保其精確性與可靠性，我們依據(jù)該機(jī)型的詳盡臺(tái)架試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)模型進(jìn)行了嚴(yán)格的校驗(yàn)。在柴油運(yùn)行模式下，選取了爆發(fā)壓力、輸出功率、排氣溫度及燃油消耗量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。如圖2所示，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值高度吻合；表2則詳細(xì)列出了各項(xiàng)參數(shù)的仿真誤差，均保持在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和有效性。

在天然氣模式下，驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值緊密相符。同時(shí)，表3詳細(xì)列出了各項(xiàng)仿真數(shù)據(jù)誤差，均處于合理范圍，進(jìn)一步確認(rèn)了模型的準(zhǔn)確性和適用性。

通過對(duì)比分析圖2和圖3中的仿真結(jié)果與實(shí)際臺(tái)架報(bào)告數(shù)據(jù)，我們可以清晰地觀察到所構(gòu)建的WinGD7X82DF船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型在主要參數(shù)曲線上的高度一致性。具體而言，無論是功率輸出、燃油消耗率還是排放特性等關(guān)鍵指標(biāo)，仿真模型的預(yù)測(cè)值均緊密貼合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，展現(xiàn)出極高的吻合度。進(jìn)一步查看誤差數(shù)據(jù)表，所有校核點(diǎn)的數(shù)據(jù)誤差均控制在5%以內(nèi)，這一結(jié)果充分驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，我們有理由相信，該仿真模型在船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工作模式下均具備高精度預(yù)測(cè)能力，為后續(xù)深入的仿真研究提供了堅(jiān)實(shí)可信的平臺(tái)。

2 噴射策略研究

在驗(yàn)證無誤的一維模型框架下，本節(jié)深入探究了燃?xì)饽Ｊ较拢貏e是在中高負(fù)荷（75%）工況下，引燃燃油噴射正時(shí)對(duì)WinGD7X82DF船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性與排放性能的影響。實(shí)驗(yàn)中，我們精心控制除噴油正時(shí)外的所有參數(shù)恒定，將噴油正時(shí)變量設(shè)置為五個(gè)不同的關(guān)鍵點(diǎn)：-15°CA ATDC、-10°CA ATDC、-8.5°CA ATDC、-5°CA ATDC、0°CA ATDC，以此全面考察其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的綜合作用。圖4直觀展示了不同噴油正時(shí)設(shè)置下發(fā)動(dòng)機(jī)功率與油耗的變化趨勢(shì)，而圖5則聚焦于NOx排放量的波動(dòng)情況，兩者共同揭示了噴油正時(shí)優(yōu)化對(duì)于提升發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率與環(huán)保性能的潛在價(jià)值。

圖4展示了引燃燃油噴射正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)動(dòng)力性的影響。隨著噴射角度從0°CA ATDC提前至-10°CA ATDC，發(fā)動(dòng)機(jī)功率從14977.6kW升至17632.4kW，隨后略降至16836.3kW，油耗則相應(yīng)先降后升。這是因?yàn)樵缙趪娚涫谷紵辔惶崆埃鰪?qiáng)了定容燃燒階段的能量釋放，減少了后燃，從而提升了熱效率與功率，降低了油耗。但噴射過于超前時(shí)，燃料在活塞未達(dá)上止點(diǎn)前大量燃燒，釋放能量與活塞運(yùn)動(dòng)方向相反，增加壓縮沖程負(fù)功，抑制功率提升，增加油耗。綜合分析，噴油正時(shí)設(shè)為-10°CA ATDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能最佳，達(dá)到功率最大化與油耗最小化的理想狀態(tài)。

圖5直觀展示了噴油定時(shí)調(diào)正對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的復(fù)雜影響。隨著噴油定時(shí)的提前，NOx排放由0°CA ATDC時(shí)的872ppm下降至-5°CA ATDC時(shí)的853ppm，然后又上升至-15°CA ATDC時(shí)的902ppm，整體趨勢(shì)上呈現(xiàn)出先下降后持續(xù)上升的現(xiàn)象。這是因?yàn)閲娪蜁r(shí)機(jī)的提前延長(zhǎng)了滯燃期，使得燃料與空氣有更充足的時(shí)間混合，形成了更為富氧的燃燒環(huán)境，從而促進(jìn)了NOx的生成。然而，適度推遲噴油正時(shí)雖能有效降低NOx排放，但過度延遲則會(huì)帶來一系列不利后果：后燃期延長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率下降，燃油消耗率上升；同時(shí)，燃燒不充分也會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低，并可能因燃燒室高溫環(huán)境的延長(zhǎng)而再次增加NOx的排放。圖5中的具體數(shù)據(jù)指出，在噴油定時(shí)設(shè)定為-5°CA ATDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了NOx排放的最低點(diǎn)，但這一優(yōu)化選擇伴隨著燃油經(jīng)濟(jì)性的犧牲和功率的降低，凸顯了發(fā)動(dòng)機(jī)性能調(diào)優(yōu)中的權(quán)衡與挑戰(zhàn)。

3 結(jié)論

本文利用AVLBOOST仿真軟件和發(fā)動(dòng)機(jī)出廠數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建了WinGD7X82DF船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的高精度仿真模型。在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性后，探討了引燃燃油噴射正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，引燃燃油噴射正時(shí)設(shè)為-10°CA ATDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性最佳，有助于提升船舶運(yùn)營(yíng)效率和降低成本。然而，在追求最佳排放性能時(shí)，存在經(jīng)濟(jì)、動(dòng)力與排放性能間的平衡問題：噴射正時(shí)調(diào)至-5°CA ATDC雖改善排放，但經(jīng)濟(jì)和動(dòng)力性能未達(dá)最優(yōu)。這凸顯了性能優(yōu)化的復(fù)雜性。未來研究將采集實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，并引入人工智能算法分析海量數(shù)據(jù)，挖掘性能參數(shù)間的潛在關(guān)聯(lián)，更精準(zhǔn)定位最佳工況點(diǎn)，這將為船舶動(dòng)力系統(tǒng)綠色高效運(yùn)行和航運(yùn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

參考文獻(xiàn)：

［1］叢玉金.船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與排放優(yōu)化研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2022.

［2］JI Z，GAN H，LIU B.A Deep LearningBased Fault Warning Model for Exhaust Temperature Prediction and Fault Warning of Marine Diesel Engine［J］.Mar.Sci.Eng，2023（11）：1509.

［3］胡楊，溫華兵，韓連任.船舶低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲烷逃逸治理方案分析［J］.熱能動(dòng)力工程，2023，38（10）：8694.

［4］隋玉鑫.船舶雙燃料柴油機(jī)噴射策略優(yōu)化［D］.大連：大連海事大學(xué)，2017.

［5］舒澤鵬.船用雙燃料主機(jī)燃料模式切換建模優(yōu)化［D］.大連：大連海事大學(xué)，2023.

［6］鄔明波.船舶雙燃料柴油機(jī)噴射策略優(yōu)化［J］.船舶物資與市場(chǎng)，2021（03）：5152.

基金項(xiàng)目：江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題（2023 ZKyb04）

*通信作者：劉奔（1998— ），男，漢族，山東菏澤人，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)檩啓C(jī)自動(dòng)化與智能化。

作者簡(jiǎn)介：莫桐（1998— ），女，漢族，河北唐山人，本科，初級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；楊恩智（1998— ），男，漢族，山東泰安人，本科，一級(jí)行政執(zhí)法員，研究方向?yàn)楹Ｊ路ㄒ?guī)。