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双燃料机典型故障对动力性能影响的仿真研究

武汉理工大学学报 2020年第10期42卷 80-87页

作者：杜文超向阳武汉理工大学能源与动力工程学院武汉430063

为研究内河船舶主机的故障对动力性能的影响,以Z6170ZLC-19双燃料机为对象,运用Matlab/Simulink建立基于容积法的零维仿真模型,针对计算指示热效率时,曲线拟合法误差大,公式推导法受仿真步长变化影响较大的缺点,引入蒙特卡洛积分法计算... 详细信息

为研究内河船舶主机的故障对动力性能的影响,以Z6170ZLC-19双燃料机为对象,运用Matlab/Simulink建立基于容积法的零维仿真模型,针对计算指示热效率时,曲线拟合法误差大,公式推导法受仿真步长变化影响较大的缺点,引入蒙特卡洛积分法计算指示热效率。对双燃料机的喷油量故障、喷气量故障和定时故障进行模拟。数据表明:定时故障对双燃料机指示热效率和热力参数影响最大;燃料量与指示热效率、热力参数变化呈正相关,且喷气量故障较喷油量故障对双燃料机动力性能影响大。该研究为内河船船用主机故障分析提供了指导。

关键词：双燃料机容积法零维模型蒙特卡洛积分法故障仿真分析

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双燃料机LNG高压供气系统安全性研究

双燃料机LNG高压供气系统安全性研究

作者：刘雁轩江苏科技大学

学位级别：硕士

随着国际海事组织对船舶的排放要求越来越严格,并且在要求排放烟气低碳、低硫、低氮的趋势下,船舶航运业必须采取相应的措施来满足排放要求。目前,采用清洁能源LNG作为动力的船可在保证经济性的同时很好的满足排放要求,因此国际上LNG动... 详细信息

随着国际海事组织对船舶的排放要求越来越严格,并且在要求排放烟气低碳、低硫、低氮的趋势下,船舶航运业必须采取相应的措施来满足排放要求。目前,采用清洁能源LNG作为动力的船可在保证经济性的同时很好的满足排放要求,因此国际上LNG动力船的数量呈快速增长的趋势。LNG动力船需配备燃料供应系统用于完成低温液态燃料的加压、汽化、升温等过程。燃料供应系统根据使用主机的不同分为高压和低压两种模式,其中高压供气系统中的燃料需要在高压状态下进行气化加热,发生泄漏事故的概率会更高,因此高压供气系统的安全性研究具有十分重要的意义。本论文以25000 DWT双燃料冰级散货船作为研究对象,该船主机采用曼恩公司型号为5G45ME-C9.5-GI的双燃料机并配套高压燃料供应系统。高压燃料供应系统中模块众多,大致分为工艺模块和安全模块,工艺模块包括LNG存储,输送过程,增压过程,以及气化加热过程,本研究将对工艺模块的关键设备进行参数计算和选型分析。高压LNG供气系统的安全模块将作为本文重点进行深入研究,研究内容为:（1）采用事故树的方式对燃料加注过程的风险进行分析,并给出降低风险的策略。（2）优化阀组单元和惰气吹扫的设计,以保障燃气的安全使用。（3）根据安全要求对通风系统,燃气探测系统,以及消防系统进行计算和分析并优化其设计,达到将燃气泄漏造成的危害降至最低的目的。（4）系统管路根据管内工质工况进行分类,先对管路进行的管径,壁厚计算和管材的选型,然后基于ANSYS Workbench仿真平台采用流固耦合的方法对工况恶劣的特殊段管道进行有限元分析,计算该管段的应力分布和模态分析,讨论不同流体,不同约束间距以及不同壁厚对高压管道固有频率的影响,该研究可为设计人员提供参考避免管路与振动设备发生共振受到破坏。（5）应用CAESAR II专业管道应力分析软件对系统中工况较为温和,但跨度较长的双壁管内外管进行静力分析,根据一次应力和二次应力的计算结果,调整长跨度管道的约束位置和约束方式,为高压供气系统管道的布置方案提供参考。

关键词：双燃料机 LNG高压供气系统安全模块高压管模态分析静力分析

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低速二冲程双燃料机传热特性研究

低速二冲程双燃料机传热特性研究

作者：吕行大连理工大学

学位级别：硕士

日趋严格的海上船舶主机排放法规使天然气发动机技术开始得到越来越多的关注,其中采用Otto循环的预混稀燃双燃料船用主机在控制排放方面优势明显,但是随着发动机强化程度的不断提高,预混合气早燃、爆燃等异常燃烧现象出现频率增加。已... 详细信息

日趋严格的海上船舶主机排放法规使天然气发动机技术开始得到越来越多的关注,其中采用Otto循环的预混稀燃双燃料船用主机在控制排放方面优势明显,但是随着发动机强化程度的不断提高,预混合气早燃、爆燃等异常燃烧现象出现频率增加。已有研究显示气缸润滑油自燃是早燃的主要原因之一。此外,燃烧室高温表面对预混合气的加热效应增加了低温化学反应放热量和中间活性产物的积累,这在一定程度上会促进预混合气早燃。本文对燃烧室高温热表面温度分布特性及其对预混合天然气传热的影响,诱发链式反应产生早燃的过程进行研究。论文首先使用流固耦合方法对燃烧室关键零部件进行热负荷分析,然后使用数值仿真软件Converge耦合简化反应机理的方式模拟天然气双燃料发动机的燃烧过程。论文主要工作具体分为以下几部分:(1)介绍低速二冲程机组合活塞冷却油路,使用AVL FIRE划分动网格并进行振荡冷却CFD计算,基于活塞往复运动和伸缩套管拉伸及压缩作用的特点,阐释活塞振荡冷却机理;(2)建立活塞头有限元分析模型,确定活塞顶面燃气侧、内冷油腔壁面及侧面的热边界条件,其中顶面和内冷油腔壁面的热边界条件分别通过三维CFD缸内工作过程全循环计算和振荡冷却计算后映射得到。编写APDL命令流,使用有限元软件ANSYS对纯柴油机和双燃料机活塞头进行热分析;(3)依据气门开/闭两工况、气门杆部与气门导管、气门锥面与气门座的相对位置,对排气门表面进行分区,并逐一确定气门落座和开启时各区域的热边界条件,然后编写APDL命令流,使用有限元软件ANSYS对纯柴油机和双燃料机排气门进行循环瞬态热分析,待各特征节点处温度稳定后分析了排气门温度场;(4)通过简化假设,使用一维平板导热公式计算了活塞顶和气阀底含0.1mm厚度积碳时积碳表面的平均温度,然后使用Converge软件耦合甲烷-正庚烷简化机理模拟了两种壁温下的双燃料机压缩和燃烧过程,探究燃烧室零部件表面高温对预混合天然气传热的影响。

关键词：双燃料机异常燃烧传热活塞排气门

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燃烧室形状对双燃料机燃烧性能影响仿真研究

燃烧室形状对双燃料机燃烧性能影响仿真研究

作者：吴伟大连理工大学

学位级别：硕士

以天然气为主燃料的双燃料发动机有害排放物明显低于传统柴油机,因此双燃料机的推广应用对于解决环境污染和能源问题具有重要的意义;而燃烧室形状对发动机的燃油雾化、混合气组织及燃烧等过程均有重要的影响,所以采用合理的燃烧室结构... 详细信息

以天然气为主燃料的双燃料发动机有害排放物明显低于传统柴油机,因此双燃料机的推广应用对于解决环境污染和能源问题具有重要的意义;而燃烧室形状对发动机的燃油雾化、混合气组织及燃烧等过程均有重要的影响,所以采用合理的燃烧室结构对提升双燃料机性能至关重要。本文以135单缸机为原型机,运用三维CFD软件FIRE对3种不同形状燃烧室在135机上双燃料模式下的工作过程进行了仿真计算。结果表明,应用双层分流燃烧室进行双燃料模式运行时,由于引燃柴油喷射量少,喷射持续期短,柴油喷雾贯穿度短,引燃柴油在实现双层流动之前已经着火燃烧,对双燃料机燃烧性能没有显著影响。同时双层分流燃烧室在双燃料模式下运行时燃烧速度慢,后燃严重,整个燃烧过程重心在上至点之后10°CA左右。双层分流燃烧室湍流强度梯度小,整体强度偏小,在燃油喷射区域没有明显的强湍流区域,对于柴油快速引燃天然气不利。缩口型燃烧室有比较强的挤流,凹坑区域湍流强度高,有利于柴油快速引燃天然气,燃烧速度快,但是随着燃烧速度的加快,缸内最高温度升高,NO排放升高,缩口Ⅱ型燃烧室NO比深ω燃烧室高11.8%,比双层分流Ⅰ燃烧室高44.7%。双燃料模式整体碳烟排放水平较低,由于缩口型燃烧室燃烧温度高,后期碳烟被大量氧化,排放水平最低,双层分流Ⅱ燃烧室碳烟排放明显高于其它燃烧室。ω燃烧室性能则介于缩口型与双层分流燃烧室之间。在75%负荷下,混合气浓度较低,燃烧速度减小,缩口型燃烧室对燃烧速度的影响减小,总体燃烧速度仍以缩口型最快,双层分流燃烧室最慢。计算发现在降低负荷以后通过增加引燃柴油量,降低替代率可以改善较低负荷燃烧慢的缺点。综合对比这三种燃烧室对燃烧性能的影响,研究发现对于预混合天然气,选用湍动能大的燃烧室有利于改善引燃柴油的分布并提高天然气燃烧速度;双层分流燃烧室燃烧速度慢,对于预混合天然气的燃烧没有明显的作用,计算显示缩口型燃烧室在纯柴油和双燃料模式下燃烧性能都较好,双燃料模式下低负荷性能不如高负荷性能。

关键词：双燃料机燃烧室数值仿真

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应对环境温度变化的二冲程双燃料机调试方法

内燃机 2021年第1期37卷 1-6页

作者：汤伟中船温特图尔发动机(上海)有限公司上海201206

本文通过对5RT-flex50DF二冲程双燃料低速机的性能数据研究,计算分析了二冲程双燃料机燃烧开始前燃烧室内的三个扫气结果变量空气量、残余废气量、压缩终点燃烧室内温度与及燃气燃烧过程;由此提出了一种通过调节二冲程双燃料机的扫气过... 详细信息

本文通过对5RT-flex50DF二冲程双燃料低速机的性能数据研究,计算分析了二冲程双燃料机燃烧开始前燃烧室内的三个扫气结果变量空气量、残余废气量、压缩终点燃烧室内温度与及燃气燃烧过程;由此提出了一种通过调节二冲程双燃料机的扫气过程而降低由于环境温度升高而对二冲程双燃料性能带来负面影响的调试方法。

关键词：双燃料机二冲程环境温度扫气燃烧调试

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甲醇/正庚烷混合燃料自燃特性实验与数值模拟研究

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应用科技 2024年第1期51卷 82-91页

作者：张东王秋凯李兴奇王自鑫冯立岩大连理工大学能源与动力学院辽宁大连116024

为了理解甲醇/柴油双燃料机的自燃特性并为燃烧计算所需骨架机理提供理论依据,以正庚烷作为柴油替代物,应用快速压缩机对宽广实验条件下甲醇/正庚烷混合燃料的自燃特性进行了研究。实验条件覆盖了甲醇/柴油双燃料机的典型工况。实验研... 详细信息

为了理解甲醇/柴油双燃料机的自燃特性并为燃烧计算所需骨架机理提供理论依据,以正庚烷作为柴油替代物,应用快速压缩机对宽广实验条件下甲醇/正庚烷混合燃料的自燃特性进行了研究。实验条件覆盖了甲醇/柴油双燃料机的典型工况。实验研究结果显示,随着压力升高、甲醇比例减少或当量比增大,混合燃料滞燃期变短。根据实验数据验证了爱尔兰国立大学(National University of Ireland,NUI)的正庚烷详细机理对甲醇/正庚烷的适用性,并利用该机理在CHEMKIN PRO软件中进行了化学动力学分析。结果表明,甲醇与正庚烷竞争羟基(hydroxyl,OH)从而抑制系统氧化过程。敏感性分析结果显示,超氧化氢(HO_(2))反应生成过氧化氢(H_(2)O_(2))是燃烧过程中最敏感的反应,抑制系统氧化过程的进行。本研究可为获得适用于甲醇/柴油双燃料机燃烧计算的骨架机理提供理论依据。

关键词：甲醇正庚烷双燃料机燃烧机理快速压缩机自燃特性化学动力学敏感性分析

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低速二冲程发动机气缸润滑油蒸发特性

哈尔滨工程大学学报 2018年第2期39卷 332-337页

作者：冯立岩刘超吴瑶王伟尧田江平隆武强大连理工大学内燃机研究所辽宁大连116023 大连理工大学船舶制造国家工程研究中心辽宁大连116023

针对气缸油液滴自燃引发双燃料机不正常燃烧的问题,本文应用挂滴式蒸发装置研究了气缸油和气缸油基础油液滴的蒸发特性,分析了环境温度、油滴初始直径对气缸油和基础油蒸发过程的影响规律。结果显示:在高温条件下气缸油液滴变形并爆破;... 详细信息

针对气缸油液滴自燃引发双燃料机不正常燃烧的问题,本文应用挂滴式蒸发装置研究了气缸油和气缸油基础油液滴的蒸发特性,分析了环境温度、油滴初始直径对气缸油和基础油蒸发过程的影响规律。结果显示:在高温条件下气缸油液滴变形并爆破;气缸油的主要成分—150 BS光亮油也有明显的液滴爆破现象,而400 SN精制油无液滴爆破现象发生;气缸油液滴的生命周期与环境温度、液滴初始直径、基础油成分紧密相关,环境温度提高、液滴尺寸减小、精制油成分增加,均会缩短油滴的生命周期。

关键词：低速二冲程船用主机双燃料机不正常燃烧气缸润滑油蒸发基础油挂滴式蒸发装置高速摄像

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面向控制的双燃料低速机燃烧模型研究

面向控制的双燃料低速机燃烧模型研究

作者：周耀锋哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着国际能源结构调整与环保形势的发展,新一代船舶动力系统研究意义重大。在低速机国产化专项研究过程中,通过计算机建模仿真手段来实现软件开发、功能验证与性能测试等研究目的成为通用研究路径。依托于双燃料低速机研究课题,服务于... 详细信息

随着国际能源结构调整与环保形势的发展,新一代船舶动力系统研究意义重大。在低速机国产化专项研究过程中,通过计算机建模仿真手段来实现软件开发、功能验证与性能测试等研究目的成为通用研究路径。依托于双燃料低速机研究课题,服务于控制系统仿真验证需求,本文利用基于Modelica语言的多领域统一物理建模的仿真软件MWorks,开展面向控制的双燃料低速机燃烧模型研究。首先通过对双燃料低速机控制系统仿真需求进行分析,确定本文研究的面向控制的燃烧模型功能需求与实时性需求;通过研究现有的两种不同技术路线下的双燃料低速机燃烧机理,确定燃烧模型数学模型的设定,通过建立复合燃烧模型来实现燃烧模型的多参数控制验证需求。依据Modelica语言面向对象的建模思路,从提升模型组件通用性的角度出发,将双燃料机燃烧系统按照物理结构与功能特性划分为燃烧体、燃烧体容积与缸体传热等功能模块。应用基于Modelica语言平台的MWorks软件,按照模块相对应的实现原理建立模型组件,从而构建起适用于控制系统仿真需求的双燃料低速机燃烧模型组件库。最后,通过理想化边界环境设置与参数设定,建立组件测试模型;对单个模型组件的功能进行测试验证,通过验证进一步优化了模型组件的功能性与稳定性。通过将功能组件层层封装,对模型结构参数进行标定,建立起完整的双燃料机燃烧模型。通过对燃烧模型进行动态、稳态工况仿真,通过仿真结果证明了模型的可靠性,满足了控制系统仿真验证需求。

关键词：双燃料机燃烧模型建模仿真控制系统

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CNG-柴油双燃料发动机性能的实验研究

CNG-柴油双燃料发动机性能的实验研究

作者：刘强大连理工大学

学位级别：硕士

天然气作为一种储量丰富、价格低廉的清洁能源,双燃料机技术使其在内燃机中的应用得以实现。双燃料机在保证原机动力性能的同时能够大大降低NO和soot的排放,双燃料机凭借其良好的经济性和排放性能日益受到世界各国学者的重视。为了寻找... 详细信息

天然气作为一种储量丰富、价格低廉的清洁能源,双燃料机技术使其在内燃机中的应用得以实现。双燃料机在保证原机动力性能的同时能够大大降低NO和soot的排放,双燃料机凭借其良好的经济性和排放性能日益受到世界各国学者的重视。为了寻找双燃料机在各个工况下最佳的运行参数,使得在各工况点都能够实现在不会较大程度地牺牲热效率的前提下,尽可能地提高双燃料机的最大替代率。本文在一台135单缸柴油机自主改装的CNG-柴油双燃料发动机上进行实验研究,首先在最大扭矩转速1200r/min、额定转速1500r/min和额定扭矩等扭矩转速1050r/min的各个负荷下,对双燃料机性能进行了测试。研究发现相同负荷条件下,各转速的热效率从高到低依次为1500r/min>1200r/min>1050r/min,最大替代率从高到低排列为1200r/min>1050r/min>1500r/min,综合经济性和最大替代率两者考虑,最大扭矩转速1200r/min的综合性能较好,因此实验中选择了1200r/min转速作为对照组。在对照组基础上采用控制变量法对引燃油喷射压力、引燃油的喷射正时、压缩比以及喷油器孔数和油束夹角进行了实验研究,来探究这些因素对双燃料机经济性和排放性能的影响,寻找进一步提高双燃料机性能的技术方案。实验结果表明,双燃料机在最大扭矩转速1200r/min相比于其他转速的替代率更高,在100%负荷时最大替代率能达到88.7%,此时的NO、soot排放水平最低,且热效率与原机相比仅损失了0.4%;增大引燃柴油喷射压力可以有效天然气最大替代率和热效率,且NO含量随喷油压力的增加基本保持不变,而HC和CO排放明显减少;增大引燃柴油喷油提前角,在各个负荷下,热效率均逐渐增大,而对替代率影响较小,但是在中高负荷时,喷油提前角过大容易产生爆震现象,且随着负荷的增大,出现爆震时的喷油提前角越小。随着喷油提前角的增大,NO的含量逐渐增加,HC和CO的含量均有所降低,因此在中低负荷选择较大的喷油提前角可以在保持较高替代率的同时有效地提高热效率,然而在高负荷时减小喷油提前角以避免产生爆震;随着压缩比的增大,天然气替代率和热效率都有所提高,天然气替代率以及热效率分别最大提高了0.9%和2.65%,然而在大扭矩高负荷工况下,压缩比过大会产生爆震现象;双燃料模式中更适合使用8孔喷嘴的喷油器,与7孔喷嘴的喷油器相比,在中高负荷条件下,8孔喷嘴的喷油器有利于引燃油喷射范围的扩大,能够增大着火面积,有利于改善双燃料机的动力性能。因此本实验所得到的最佳喷油策略的方案为选择引燃油喷油压力为150MPa,在50%负荷时,喷油正时选择-15°CA ATDC喷油正时,在75%负荷条件下选择-13°CA ATDC喷油正时,在100%负荷条件下选择-11°CA ATDC喷油正时;在低负荷时可采用较高的压缩比17,在中高负荷应适当地减小压缩比,采用16.5压缩比;喷油器选择8孔150°油束夹角喷嘴的喷油器;该实验方案在不同工况点都能够保证高的热效率,且避免了爆震现象的产生,可以有效地提高双燃料机的性能,但同时可能会导致NO排放稍有增加。

关键词：双燃料机天然气喷油压力喷油正时喷油器