摘 要

Abstract II

第一章：绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究发展现状 2

1.2.1内燃机数值模拟研究现状 2

1.2.2船舶双燃料发动机的发展现状 2

1.3论文主要研究内容 3

第二章：船舶双燃料发动机简介 4

2.1工作原理 4

2.2LNG/柴油双燃料发动机分类 4

2.3双燃料发动机控制策略 5

第三章：内燃机燃烧过程模拟 6

3.1：概述 6

3.2零维模型 6

3.3准维模型 7

3.3.1准维现象学模型 7

3.4多维模型 8

第四章：船舶双燃料发动机燃烧模型的探究 9

4.1船舶双燃料发动机热力学模型的探究 9

4.1.1燃烧过程放热规律的确定 9

4.1.2传热的计算 10

4.2船舶双燃料发动机现象学燃烧模型的探究 11

4.2.1燃烧过程放热规律的确定 12

4.2.2热力过程化学当量的计算 13

4.2.3传热的计算 15

第五章：基于MATLAB的模拟计算实现 17

5.1MATLAB简要介绍 17

5.2MATLAB的特点与主要功能 17

5.3基于MATLAB的热力学模型与现象学模型的模拟计算 18

5.3.1对比分析 18

第六章：结论与展望 20

6.1结论 20

6.2展望 20

致 谢 21

摘 要

随着船舶航运行业节能减排要求的越来越高，改良优化船舶内燃机成为了重中之重。船舶双燃料发动机是指可同时使用气体燃料和燃油的发动机，工作时可以在纯燃油和双燃料模式下相互转换。天然气作为清洁能源，燃烧产物中无氮氧化物和硫化物，其取代燃油作为船舶内燃机的主要燃料将具有很大的经济效益和环境效益。

为研究船舶双燃料发动机的性能，论文以零维模型和准维模型作为理论基础，探究替代率为75%的天然气-柴油双燃料发动机的单区热力学模型和双区现象学模型。由于内燃机燃烧过程的复杂性，在模型探究时都作了相关的简化假设，使其在实际应用及探究时更加实用。基于MATLAB软件自带函数库，对两个模型中复杂的微分方程组进行计算机求解，从而大大地减少了人工运算的费时费力。在探究热力学模型分析船舶双燃料发动机的同时，也通过与普通船舶柴油机的实际工况进行对比，从而更能准确地验证模型分析的准确性。

关键词：船舶双燃料发动机、热力学模型、现象学模型、MATLAB

Abstract

As the requirement of energy conservation and emissions reduction in Marine shipping industry more and more high, improved to optimize the internal combustion engine of the ship has become the top priority. Vessels of the dual fuel engine means using fuel gas and fuel engine at the same time, can work in the pure fuel and dual fuel mode. As a clean energy, natural gas’ combustion products is not nitrogen oxide and sulfide, which replace oil as the main fuel of internal combustion engine will have great economic benefits and environmental benefits.

To research ship dual fuel engine performance, paper with zero dimension model and the quasi-dimensional model as the theoretical basis, explore the substitution rate of 75% natural gas - diesel dual fuel engine’s single zone thermodynamic model and double phenomenological model. Because of the complexity of the combustion process, all theory in the model is the related assumptions, to fixed with practical application. With the libraries based on the MATLAB software, the complex differential equations of the two models can be solved on computer, thus greatly reduced the time of laborious manual operation. In exploring thermodynamic model of dual fuel engine, the same time of comparing with the actual working condition of the normal Marine diesel engine, thus the model analysis will be more accurate.

Key word: dual fuel engine of the ship; thermodynamic model; phenomenological model; matlab

第一章：绪论

1.1研究背景及意义

节能减排，加快转变经济发展方式是当今社会的主旋律。船舶行业作为现代交通运输业的重要一环，担当着推动交通运输行业节能减排工作向深度发展使命感和紧迫感。2009年哥本哈根世界气候大会，要求发达国家强制实行减排和发展中国家自主采取措施减排。我国温室气体排放位居全球第一，面临着更严酷的减排挑战。据统计，我国有90%以上的外贸货物需通过海上运输完成。如果水运行业节能减排工作进展缓慢，海运船队节能减排水平不能满足IMO国际公约的要求，将会影响我国航运业的发展，进而影响到我国国民经济的平稳发展。再者由于石油资源的稀缺性及日益枯竭，导致国际油价的不断飞涨，船舶航运业的运营成本不断攀升。

在促进航运业节能减排和深度发展中，改良优化船舶的“心脏——船舶内燃机”成为了重中之重。船舶普通柴油机尾气中主要含有硫氧化物（SOx）、氮氧化物(NOx)、二氧化碳（CO2）、碳氢化物（HC）和微粒（PM）等污染物，其中硫氧化物（SOx）和氮氧化物(NOx)可造成酸雨，对环境生态造成毁灭性打击。二氧化碳作为温室气体主要会造成全球温室效应。为减少船舶柴油机尾气污染，在现有成熟的技术下，加强能源利用转化率和采用清洁能源为两大主要措施。船舶双燃料发动机作为以天然气为主要燃料的内燃机，其主要排放物为二氧化碳和水，无疑将大大促进船舶的节能减排。当今世界天然气资源十分丰富，前些年在海底还探测出“可燃冰”（主要成分为天然气），无疑将为天然气替代石油作好铺垫。船舶双燃料发动机将成为当今船舶航运业研究和发展的焦点。

为研究船舶双燃料发动机性能，研究模拟其热力学过程，通常有两种手段，一是通过实验手段，二是建立模型而后通过计算机模拟仿真。零维热力学模型将燃烧室视为单一均匀场，能准确地求出燃烧室内温度、压力等物性参数随曲柄转角的变化，从而研究预测其性能和放热规律。准维现象学燃烧模型则进一步地考虑了喷雾、湍流火焰传播的影响，从而更加精确地模拟内燃机实际进行的热力过程，建立质量燃烧率函数，预测燃烧室内不同区域的温度和压力，并能预测有害气体的排放浓度^[1]。论文通过建立这两个模型对比研究，对船舶双燃料发动机的燃烧特性进行分析。同时在复杂的微分方程求解过程中，基于MATLAB软件提供的函数实现快速简便的求解。从而能为船舶双燃料发动机的节能减排做好市场应用铺垫。

1.2国内外研究发展现状

1.2.1内燃机数值模拟研究现状

在内燃机的数值模拟研究历程中，从简单的零维模型发展到较为精确的准维模型，最终由学者提出最为精确的多维模型。纵观整个发展历程和各模型的特点，不难发现准维模型呈现出诸多思想火花碰撞的壮观场面。研究学者从不同角度对柴油机燃烧过程进行研究,各自创新地提出了相应的准维燃烧模型，其中以美国康明斯公司林慰梓博士的“气相喷注燃烧模型”和日本广岛大学广安博之博士的“油滴蒸发燃烧模型”最具代表性，发展也更具潜力^[2]。

林慰梓博士等学者提出气相喷注燃烧模型的核心意涵为：在柴油机的做功冲程期间，气缸内工质的温度已远超过燃油气化的临界温度，故气缸内燃油的存在形式为燃油蒸气。以这个为基本前提，根据实验研究情况和稳态气相射流理论，进行推导“燃油—空气”的混合方程，最终得出由燃油—空气的混合速率决定燃烧过程的进展。日本广岛大学广安博之等学者则独辟蹊径，根据基本的燃烧规律，研究油滴间的蒸发及相互作用。认为燃烧过程主要取决于燃油的蒸发速率。当然两个模型也有共性：均由喷注模型（确定雾束几何形状及燃油空气混合气浓度分布）、燃烧热力学计算模型和燃烧排放物生成模型三部分构成。

国内一些内燃机学者紧随准维模型的研究发展潮流，对国外学者提出的内燃机模拟模型进行完善和改进。吉林工业大学袁中庄等学者在非直喷柴油机气态污染物的形成领域颇有建树，提出了一氧化碳（CO）形成模型。北方交通大学张欣等学者则对双燃料发动机进行研究，并建立了二维模型。紧随其后，天津大学内燃机研究实验室学者创新地提出了直喷式柴油机的准维现象学燃烧模型。

1.2.2船舶双燃料发动机的发展现状

为降低船舶排放物对环境的污染和降低船舶运营成本，目前全球航运界刮起了用天然气替代燃油的一股旋风。LNG（液化天然气）于1964年率先在运输船上得到应用，发展缓慢，经过几十年的发展，其仍处于起步阶段，市场应用和普及率不高。但因双燃料发动机动力船舶具有经济、环保两大优势，其越来越受到航运企业的重视并且迅速发展。在全球双燃料发动机开发中，瓦锡兰、曼恩两个柴油机巨头独占鳌头。

船舶低速双燃料发动机的开发研制，在原有的船舶燃油供应系统成熟可靠、岸上LNG供应站的建设成本较高、船舶柴油机性能不断完善改进的“三座大山压迫”下，一直处于非常缓慢的研制进展状态。现今，全球研发成功的低速双燃料发动机只有瓦锡兰的RTX5型和曼恩的ME-GI型发动机。相较于低速双燃料发动机，船舶中速双燃料发动机的研发速度明显领先。世界主要柴油机制造商都率先推出了船舶中速双燃料发动机，并应用于大量的船舶上。现今，成功研发船舶中速双燃料发动机的制造商有瓦锡兰、曼恩、卡特彼勒（Mak）等，共有5种机型。在国内，虽然没有推出船舶双燃料发动机的机型，但国内各企业联合开展的“长江绿色物流创新工程”和“气化长江”项目，都旨在推进国内河船舶的“油改气（用天燃气取代燃油）”工作的进展。

1.3论文主要研究内容

论文作为本科生毕业设计论文，主要以学习完善本科阶段专业知识为主，论文紧随当今船舶航运业节能减排的大背景下开展船舶双燃料（天然气/柴油）发动机的性能模拟研究：

（1）：查阅相关文献，了解基于MATLAB的内燃机热力学与现象燃烧分析模型对比研究及应用现状。

（2）：查阅相关文献与书籍，学习理解内燃机热力学模型和现象燃烧分析模型的基本原理。

（3）：学习并掌握使用MATLAB的基本技能，用MALTLAB软件计算热力学模型和现象学模型中涉及的常微分方程组。

（4）：利用已建立好的模型对船舶双燃料内燃机的燃烧特性进行模拟分析，绘制图形，得出结论。

第二章：船舶双燃料发动机简介

2.1工作原理

双燃料发动机是指可以同时使用气体燃料和燃油的发动机，工作时可以在纯燃油和双燃料模式下相互转换，例如LNG/柴油双燃料发动机、LPG/柴油双燃料发动机、CNG/柴油双燃料发动机等。论文中天然气-柴油船舶双燃料发动机是指以天然气为主要燃料，用少量低燃点的柴油来引燃的内燃机。

船舶“双燃料”技术是指在不改变船舶整船结构和性能的基础上，加装一套天然气（LNG/CNG）电控喷射系统装置。燃料供给方式为电控单点喷射式：用电控混合器在进气总管采集原发动机的转速和冷却水温度等信号，采集的相应状态参数被送入电子控制器（CPU），信号处理后控制柴油和天然气各自的喷射量，喷入的少量柴油由于其燃点低，在压缩冲程中先着火，引燃气缸内的天然气-空气混合物，从而实现了采用清洁能源-天然气。

双燃料改造方式不会对内燃机原有结构做出大量的改变，并且还可以燃烧天然气和柴油两种燃料；在没有足够气体燃料时，仍然可使用普通柴油，是天然气发动机应用的主流。其具有以下特点：一为由于两种天然气和柴油两种燃料化学特性的促进互补，可改善内燃机燃烧质量并解决天然气自燃温度高，不容易压燃的问题；二可扩大可用燃料的范围，适应加气站少的情况；三为发动机改装较容易，使用成本较低。

2.2LNG/柴油双燃料发动机分类

LNG/柴油双燃料发动机在所有双燃料发动机中，因其排放污染低、经济性好、动力性较高和噪声小，发展最为迅速。发展至今，根据燃料喷射方式，它主要分为以下三类：