船舶双燃料发动机燃料模式切换的仿真研究

船舶双燃料发动机燃料模式切换的仿真研究

孙作慧 ,刘宝晨

青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司  山东青岛  266100

摘要：近年，世界各国对碳排放制定严格法规。中国在碳排放提出了“2030碳达峰/2060碳中和”政策。双燃料发动机主要以天然气和轻柴油为主要燃料，相比燃烧纯柴油，天然气的使用不仅减少NOx、SOx和颗粒物，而且具有高热值、低碳排放等优点。基于此，以下对船舶双燃料发动机燃料模式切换的仿真进行了探讨，以供参考。

关键词：船舶双燃料；发动机燃料模式切换；仿真研究

引言

目前，关于密度液体碳氢燃料的分子设计、合成工艺及其在航空航天发动机上的燃烧性能已得到了比较广泛深入的研究但是对于将高密度液体碳氢燃料迁移应用于地面车辆装备发动机增加续航能力，考察高密度液体碳氢燃料对柴油机性能影响的研究几乎处于空白状态。研究旨在利用exo-THDCPD加入0号柴油调配成高密度复合燃料，在测定分析复合燃料理化性能指标的基础上，通过柴油发动机模拟台架试验，分析柴油机燃用不同比例exo-THDCPD复合燃料的燃烧排放规律，为高密度液体碳氢燃料exo-THDCPD在地面车辆装备上应用进行有益的探索与尝试。

1双燃料发动机的技术参数及特点

发动机能在两个截然不同的模式下运行:全柴油运行模式，这种模式下以船用重油或轻柴油为主要燃料运行;燃气运行模式，这种模式下以轻柴油为引燃油，伴随天然气燃料的燃烧。全柴油运行模式下，电子调速器根据转速反馈调节齿条位置来控制燃油的供给量;燃气运行模式下，电子调速器控制电磁进气阀来控制燃气的供给量，以保持发动机的稳定运转。发动机的控制系统通过计算当前环境条件和使用的燃料性能，从而获得最佳运行条件。为了保证发动机在燃料模式切换的瞬态条件下平稳运行，仿真模型需要满足发动机制造商确定的响应要求:在固定负载条件下，从燃气运行模式到全柴油运行模式的切换需要在1s内完成;从全柴油运行模式到燃气运行模式的切换需要在2min内完成。

2双燃料发动机的研究意义

由于一些含氧量高的清洁能源如甲醇(含氧量50%)、乙醇(含氧量34.8%)等与柴油的不互溶性,通常采用压燃式发动机的双燃料模式对较难溶的醇类等物质进行排放性能等的研究,双燃料燃烧模式作为一种替代传统柴油燃料燃烧的燃烧方式极具研究开发应用前景,是指在原柴油机的基础上加入供给系统、喷射系统和电控系统,对柴油机进行结构改装和电控系统的开发,根据进气方式不同,可以将双燃料发动机分为进气道单点喷射式双燃料发动机、进气道多点喷射式双燃料发动机、缸内直喷式双燃料发动机。双燃料模式具有多种燃料组合,如天然气、甲醇、乙醇、丁醇、汽油等,本文通过对甲醇、乙醇、丁醇等醇类物质在双燃料发动机的应用,浅谈影响双燃料燃烧模式的影响因素。

3船舶双燃料发动机燃料模式切换的仿真研究

3.1从全柴油运行模式转换到燃气运行模式

在此燃料模式转换过程中，假定燃油和燃气的供给量如图7所示，燃料切换的仿真和试验结果如图8、图9所示，在燃料模式切换操作开始后，发动机的工作模式由全柴油运行模式向燃气运行模式的变化在2min内(95s)逐步完成。仿真结果表明:双燃料发动机仿真模型在燃料模式切换的操作中符合制造商的要求，根据要求从全柴油运行模式到燃气运行模式的转换要在2min内完成。双燃料发动机从全柴油运行模式到燃气运行模式的转换过程比从燃气运行模式到全柴油运行模式的切换过程要慢得多，主要是因为天然气由电磁阀控制，当电磁阀打开时天然气先进入进气歧管，而后再喷入气缸，致使燃气的供给响应与柴油相比速度慢。在燃料模式切换的初始过程，如果燃油供给量大幅减少的同时增加燃气供给量，就会导致发动机的转速波动、爆震等不利现象发生。在切换过程中，发动机的转速会随着燃料供给系统的调整逐渐趋于稳定。

图7发动机燃料供给             图8发动机转速响应

图9废气温度变化

3.2环保经济性

双燃料船舶主机余热回收及LNG冷能利用循环系统具有较强的环保效益、经济效益，结合双燃料船舶实际运营情况展开的环保经济性计算（以4000时/年为依据），在双燃料船舶长期运行期间，多以90%SMCR主机负荷状态进行运行，若选用R245fa为工质搭建主机余热回收及LNG冷能利用循环系统，每年则可降低LNG燃料消耗量约455.54吨，按照2021年海关总署交易进口数据（LNG进口价2894元/吨）计算成本，此时可得出，循环系统可从LNG燃料消耗量角度节约131.83万元资金，经济效益显著。此外，应用该循环系统后还可降低CO2排放量约514吨，能够极大推进“双碳”战略。

3.3余热回收系统

现服役双燃料主机或LNG燃料主机船舶除远洋LNG船舶外，新建远洋大型船舶也多采用双燃料主机作为动力，选择大型远洋双燃料船舶作为系统搭载平台，其设计计算结果具有普适性。本文以某21000箱超大集装箱船为设计平台。该船主机型号为MAN12S90ME-C10.5-GI，为超长冲程双燃料机型。主机余热及LNG冷能利用系统，其结构特点是利用有机朗肯循环匹配不同的热源、冷源来构建主动换热能量网络。该系统以船舶主机排烟和缸套冷却水为热源，海水和液化天然气的汽化冷能为冷源。其中，液化天然气作为主机排烟余热循环冷源的补充，进一步降低循环最低温度，提高系统效率。

3.4工质选择

构建与设计双燃料船舶主机余热回收及LNG冷能利用循环系统必须建立在有机朗肯循环或超临界CO2布雷顿循环基础上，从这一角度来看，工质这一能量传递载体是决定循环系统工况运行性能的重要因素。本次所设计的循环系统应用环境为船舶，因此为防止船舶火灾事故，需控制好工质燃点。经综合分析考量后，最终选择4种工质，并分析其工质参数，具体分析情况如下：1）以CO2为工质。该条件下，工质临界温度为304.13K，临界压力为7.38MPa，临界密度为467.6kg/m3，而可用最低温度与可用最高温度分别为216.59K、2000K，可用最大压力为800MPa。2）以R134a为工质。该条件下，工质临界温度为374.21K，临界压力为4.06MPa，临界密度为511.9kg/m3，而可用最低温度与可用最高温度分别为169.85K、455K，可用最大压力为70MPa。3）以R245fa为工质。在该条件下，质临界温度为427.16K，临界压力为3.65MPa，临界密度为516.08kg/m3，而可用最低温度与可用最高温度分别为171.05K、440K，可用最大压力为200MPa。4）以R1234ze为工质。在该条件下，质临界温度为382.52K，临界压力为3.64MPa，临界密度为489.24kg/m3，而可用最低温度与可用最高温度分别为168.62K、420K，可用最大压力为20MPa。

结束语

与汽油机相比,柴油机具有热效率高,动力性好的优点,被广泛应用于商乘用车、专用车辆和农业船舶等领域。针对降低柴油机较高的NOx和颗粒物排放国内外学者做了大量研究,研究表明通过对柴油中掺混清洁醇类、醚类等含氧清洁能源,在燃烧过程中能够起到自供氧的效果,加快燃烧速度,缩短燃烧持续期,使燃烧更集中,有效降低PM、HC和CO的排放。

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