摘 要

随着能源危机，环境污染等问题越来越严重，以及排放法规的越发严格，人们迫切需要找出合适的可替代现有能源模式的方法。天然气是一种大量存在的清洁能源，正在逐步在各个行业广泛使用，目前汽车上已大量使用天然气能源，但在船舶发动机上使用较少。相对于国外船用发动机研发公司的双燃料发动机，国内船用双燃料发动机的技术水平还相对落后，但相关的研发工作已成为研究的热点和重点。

本文以国内某船用中速双燃料发动机为研究对象。以对发动机的整机性能仿真为研究目标，利用AVL BOOST仿真软件模拟双燃料发动机在柴油模式下的运行性能，并完成部分参数优化工作，本文研究的主要内容如下：

（1）进行船用中速双燃料发动机相关技术资料的收集和调研，了解船用中速双燃料发动机的发展、原理及其结构及特点；

（2）进行双燃料发动机建模理论知识学习。研究发动机建模仿真过程的计算方法及各种仿真模型的应用范围；深入学习AVL BOOST仿真软件。掌握其建模理论、关键参数含义以及对仿真模型性能的影响；

（3）利用AVL BOOST仿真软件建立了船用中速双燃料发动机仿真模型。并在25%，50%，75%，100%和110%工况下，对其工作过程进行了仿真计算。将模型仿真结果和数据进行了对比验证。模型仿真数据误差在允许范围内，验证了模型的正确性。

（4）利用已验证的仿真模型，建立以气门相位为变量的模型。改变其气门相位，研究不同气门相位的影响。并以3个工况为代表，分别获得其优化的相位。最终经过组合获得了全工况下燃油消耗率和功率优化的配气相位。

关键词：双燃料；柴油模式；仿真

Abstract

With the energy crisis, environment pollution is a growing problem. With the more and more strict emission regulations, there is an urgent need to find a suitable alternative method of the existing energy model. Natural gas is abundant clean energy, widely used in various industries. Currently on the car natural gas has been heavy used, but less used in marine engine. Compared to foreign marine engine research agency and company's dual fuel engines, domestic dual fuel engines technology still lags behind, but it has became the focus of dual fuel engines’ research and development work.

In this paper, a domestic marine medium-speed dual fuel engine is studied. Aiming at research on engine performance simulation, using AVL BOOST simulation software, performance of dual fuel engines in the diesel mode is simulated, and completing the partial parameter optimization, the contents of this paper are as follows:

(1)Collecting marine medium-speed dual fuel engine data. Researching medium-speed marine dual fuel engine development, principles and structure and characteristics;

(2) Studying dual-fuel engine modeling theory. Researching engine simulating method and application. Studying AVL BOOST simulation software. Grasping the modeling theory, critical parameters’ meanings and the impacts on the performance of simulation model;

(3)with the AVL BOOST simulation software, Establishing a medium-speed marine dual-fuel engine simulation model. Under 25%,50%,75%,100% and 110% condition, finishing working process simulation. Simulation results are compared with date. Validateing simulation data errors within the permissible range. Verifying the validity of the model.

(4)Using validated simulation models, establishing a model that valve timing was variable. Changing the valve timing and studying the effects of different valve timing. Represented by the 3 conditions, getting respectively the optimization phase. Eventually getting all operating conditions of optimal fuel consumption rate and power of valve timing.

Key words: dual-fuel；diesel model； simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究状况 2

1.2.1双燃料发动机技术 2

1.2.2内燃机工作过程模拟仿真的发展 3

1.2.3双燃料发动机仿真状况 4

1.3研究的基本内容及目标 5

第二章 双燃料发动机工作过程模拟的基础理论 6

2.1柴油模式工作模拟的假设 6

2.2模拟计算 6

2.2.1 进排气系统方程 6

2.2.2涡轮增压器系统工作过程方程 7

2.2.3中冷器系统工作过程方程 8

2.2.4气缸系统工作过程方程 8

2.2.5 能量方程各项表达式 9

第三章 仿真模型建立及校准 12

3.1 AVL BOOST软件 12

3.2仿真模型建立 12

3.3数据的输入 15

3.3.1总体控制参数的输入 15

3.3.2进排气系统的参数输入 15

3.3.4涡轮增压器系统的参数输入 17

3.3.5中冷器系统的参数输入 18

3.3.6气缸系统的参数输入 18

3.4仿真模型的校验 20

第四章 柴油模式下的配气相位的优化 24

4.1参数的选择 24

4.2优化方案 24

4.2.1 50%负荷工况时的配气优化 25

4.2.2全负荷工况时的配气优化 25

4.2.3 110%负荷工况时配气相位的选择 26

4.2.4 综合工况下配气相位的选择 26

第五章 结论与展望 29

5.1结论 29

5.2展望 29

参考文献 31

致谢 32

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

柴油机问世100多年以来，一直是人们利用最多的动力源之一，从汽车，船舶，到各种工程机械的动力。但在人们获取利益的同时，由于内燃机大量的使用和排放所带来的环境问题和能源危机开始威胁人类的生存，也因此成了人们不得不关注的问题。

自从人们发现石油以来，石油大量应用于各个领域，随着工业的发展，各国对石油的消耗与日剧增，按照目前已探明的石油量和现在的开采速度，50年之内石油资源就会枯竭^[1]。若不缓解石油枯竭的危机，届时基本上依赖石油为动力来源的内燃机将无法运转。因此越来越多的国家投入到替代燃料的开发中，其中天然气的储量已被证明可被使用200年以上^[2]，而且中国有着巨大的天然气储量，这就给石油提供了一个最为便利的代替者。

由于传统柴油机燃烧产生的颗粒物，硫化物，氮氧化物^[3]对生态环境，空气，人体都产生了不小的影响。为了应对船舶柴油机对大气的污染，国际海事组织IMO，在2005年5通过了防止船舶造成污染公约附则VI，即防止船舶造成大气污染规则；在2008年10月成立了海上环境保护委员会并通过了防止船舶造成污染公约附则VI修订版；在2011年开始实行TierII法规，其主要限制了氮氧化物，硫化物和PM的排放，今年的1月1日已经开始实行对排放限值极为严格的TierIII阶段法规^[4]，其所要求的最大氮氧化物的排放量仅为TierI的20%。如图1.1所示。

从2006年起，欧盟规定船舶所使用的燃料的含硫量必须低于1.5%，所有在欧盟的港口停泊的船舶的燃料的含硫量不得高于0.2%，到2010年不得高于0.1%。在2012年末，欧盟规定境内船舶行驶在航运量频繁和硫化物含量受管制的海域，必须在2015年之前，将二氧化硫排放量从目前的1%削减至0.1%。IMO规定在2020年前，在其他海域必须使二氧化硫的排放量降低到5%的标准。