摘 要

天然气-柴油双燃料发动机在选择压缩比时以种种条件为限折中选出定值，难以发挥整机在不同燃料模式下的潜力。可变压缩比技术能够解决该限制，有效提升双燃料发动机的动力性及燃油经济性。本论文运用调查研究法和仿真分析法对课题进行了研究。研究的基本内容分为四大部分：双燃料发动机建模、模型验证、压缩比敏感性分析和预测VCR的潜力及优化。主要分析了不同压缩比、不同工况下，加载可变压缩比技术后，对ACD 320DF双燃料发动机性能的影响。仿真结果显示，在柴油模式下，压缩比优化值为23。在天然气模式下，考虑到爆震的问题，当压缩比优化值为12到14。本论文为可变压缩比技术在实机中的标定和应用奠定了技术基础。在其他应用可变压缩比技术的研究中，本文所提出的压缩比优化的数值可以提供一定的参考价值。

关键词：可变压缩比技术；双燃料发动机；建模与仿真；优化与预测

Abstract

When choosing the compression ratio,the gas-diesel dual fuel engine always has to select a compromise to meet the demand of the engine.It is hard to show the potential of two operation modes.The Variable Compression Ratio(VCR) technique can solve this problem,and it is beneficial to the performance of the engine.This paper uses investigation and research method and simulation and analysis method to analyse VCR technique.Basic contents are divided into four parts,such as dual engine modeling,modeling verification,the sensitivity analysing of VCR,calculating and optimizing the potential of VCR technique.This paper studies a ACD 320DF gas-diesel dual fuel engine.Simulating,calculating and analysing the performance of the engine when the engine loads a VCR technique and different working conditions.The simulation results show the optimized compression ratio which is 23 in diesel mode,and 12 to 14 in gas mode.This paper lays a foundation for the calibration and application of the variable compression ratio in practice.In other research related to this topic, the optimized data of compression ratio can be a reference.

Keywords:Variable Compression Ratio;Dual Fuel Engine;Modeling and Simulation; Optimization and Prediction

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2天然气-柴油双燃料发动机的发展现状与趋势 2

1.2.1双燃料发动机技术发展现状与趋势 2

1.2.2国外双燃料发动机产品发展现状 3

1.2.3国内双燃料发动机产品发展现状 4

1.2.4分析总结双燃料发动机发展现状 4

1.3可变压缩比技术的发展现状与趋势 5

1.3.1可变压缩比技术的发展现状与趋势 5

1.3.2国外可变压缩比技术应用的发展现状 5

1.3.3国内可变压缩比技术应用的发展现状 8

1.3.4分析总结可变压缩比技术发展现状 8

1.4研究目的与意义 9

1.5拟解决的关键工程问题 9

1.6论文研究目标和内容 9

1.6.1研究目标 9

1.6.2研究内容 10

1.7研究方法和技术路线 10

1.7.1研究方法 10

1.7.2技术路线 11

1.8论文结构 11

1.9本章小结 12

第二章 双燃料发动机仿真建模技术研究 13

2.1 双燃料发动机工作过程建模 13

2.1.1 数学模型的选型设计 13

2.1.2 建模分析 14

2.2 双燃料发动机性能仿真模型的开发 16

2.2.1 建模仿真软件-AVL BOOST 16

2.2.2 模型的构成 16

2.2.3 发动机结构参数的输入 17

2.2.4 仿真模型的输入参数设置 18

2.3 双燃料发动机性能仿真模型的试验验证 21

2.3.1 柴油模式下的模型验证 21

2.3.2 天然气模式下的模型验证 22

2.4 本章小结 22

第三章 可变压缩比技术对发动机性能影响研究 23

3.1 加载VCR后发动机性能分析 23

3.1.1按照燃料不同对发动机性能进行分析 23

3.1.2按照负荷不同对发动机性能进行分析 28

3.2 泵气损失对发动机性能影响分析 31

3.3 天然气模式下的爆震控制 32

3.3.1 爆震机理分析 33

3.3.2 天然气模式下爆震控制 34

3.4 双燃料发动机性能优化与预测 35

3.5本章小结 35

第四章 总结与展望 37

4.1全文总结 37

4.2 创新点 37

4.3研究展望 37

参考文献 39

致 谢 40

攻读学士学位期间的研究成果 41

攻读学士学位期间获得的奖项 42

第一章 绪论

1.1课题研究背景

自内燃机发明至今，由于其拥有结构简易、热效率高、功率密度大、可靠性强等优点，在各个行业都受到了广泛的应用，特别是船舶动力行业。目前，船舶发动机还是由压燃式的柴油机所主导^[1]。

大型船舶柴油机是以价格低廉的重油作为燃料，降低了船舶的运营成本，但又一定程度上导致排放性能恶化。各大厂家为了达到日渐严峻的排放法规，研究发明了多项减少发动机有害排放的技术，其中包括：脱硫技术、高压共轨、废气再循环和选择性催化还原等。但同时，这些技术通常会降低发动机的燃油经济性。所以从严格意义上讲，现有技术难以同时兼顾发动机的燃油经济性和排放性能。

天然气被公认为一种清洁燃料，已经在汽车行业应用甚广^[2]。如今，船舶及航运企业已经开始致力于天然气发动机或柴油-天然气双燃料发动机的研究。通常按照发动机燃料适用性的不同将其分类为三类，第一类是只燃烧纯天然气的单燃料发动机，即气体（天然气）发动机；第二类是在现有柴油机上改装，可以实现柴油和天然气掺烧的双燃料发动机；第三类是在现有的汽油机上进行改进，可以实现汽油模式和纯天然气模式切换运行的两用燃料发动机。目前，双燃料发动机在船舶发动机上的应用更有优势，可以自由切换使用天然气和重油等多种燃料。通过天然气模式和柴油（重油）模式的切换，可以使发动机有很好的经济性、排放性能和燃料适用性能等。所以双燃料发动机将逐渐成为船舶行业发展的趋势。