船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化研究

劉西帥

摘 要 天然氣是目前普及范圍最廣的清潔能源，燃燒產(chǎn)物主要是H2O和CO2，同時(shí)硫含量也極低，可以有效降低SOx排放。因此，天然氣作為一種綠色、環(huán)保、安全的清潔能源，有望成為船舶動(dòng)力領(lǐng)域首選綠色能源。本文在對(duì)船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)概念展開概述的基礎(chǔ)上，對(duì)船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行了分析，并對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展予以展望，以供參考。

關(guān)鍵詞 船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī);故障診斷;系統(tǒng)優(yōu)化研究

引言

隨著石油資源的逐漸緊缺，尋找發(fā)動(dòng)機(jī)替代能源成為各國(guó)政府和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)共同關(guān)注的問題。天然氣（NG）的主要成分是CH，它是一種清潔燃料。與石油資源相比，中國(guó)擁有比較豐富的天然氣資源，從能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，政府首先鼓勵(lì)和支持天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（一般指柴油/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)），以天然氣為主要燃料，可以克服柴油機(jī)NO和PM高排放的缺點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工作過程中幾乎可以無煙運(yùn)行，并且與我國(guó)現(xiàn)階段的天然氣供應(yīng)狀況相適應(yīng)，因此具有良好的發(fā)展前景。

1船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)概述

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)指的是能夠選用天然氣作為燃料，也能夠選用燃油作為燃料，支持兩種模式的相互轉(zhuǎn)換。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的使用靈活，改動(dòng)程度小成本低，可以有效減少碳煙的排放，在航運(yùn)業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，有著良好的推廣前景。在保證主要結(jié)構(gòu)不變的情況下，增加天然氣供氣系統(tǒng)，電子控制系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在各模式之間完成轉(zhuǎn)換。但雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)雖然經(jīng)濟(jì)性有所提高，但其發(fā)生故障的概率有所上升，故障維修的難度較大，問題較多。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比較而言，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，情況多變，發(fā)動(dòng)機(jī)各部分之間相互影響，是典型的非線性系統(tǒng)，造成其故障源與故障之間的表現(xiàn)形式不是一對(duì)一的簡(jiǎn)單映射關(guān)系，存在一對(duì)多或者多對(duì)一的現(xiàn)象。為此需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以保證其正常運(yùn)行。

2船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有很大影響。這些零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命和可靠性，從而降低成本、提高經(jīng)濟(jì)性。但在優(yōu)化過程中需反復(fù)多次調(diào)用求解模型，優(yōu)化效率極低。未來對(duì)于此類零部件的優(yōu)化會(huì)越來越依靠于近似模型的引入?？梢酝ㄟ^響應(yīng)面法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和縮減基法等近似模型建立目標(biāo)場(chǎng)函數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的近似關(guān)系，并且開發(fā)相應(yīng)的誤差估計(jì)方法。還應(yīng)將好的近似數(shù)值模型與全局收斂性能較好的遺傳算法、模擬退火法等相結(jié)合，引入相應(yīng)的自適應(yīng)算法，進(jìn)行快速優(yōu)化。另外，利用并行算法和其他高性能計(jì)算技術(shù)也是提高優(yōu)化效率的一條途徑。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)減振優(yōu)化

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量越來越輕，而其功率和轉(zhuǎn)速不斷提高，振動(dòng)和噪聲問題越來越突出。振動(dòng)不僅影響到發(fā)動(dòng)機(jī)自身的強(qiáng)度和性能，而且會(huì)給乘員舒適性造成很大的影響。除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)外，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的減振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化也是一條提高船舶整體振動(dòng)性能的有效途徑。傳統(tǒng)的彈性減振系統(tǒng)已無法滿足舒適性要求，未來的趨勢(shì)是半主動(dòng)減振和主動(dòng)減振控制系統(tǒng)，即能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、載荷等自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化船舶動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減振。發(fā)動(dòng)機(jī)的減振系統(tǒng)是一復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其自身的非線性映射能力在未來發(fā)動(dòng)機(jī)減振系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有很大的潛力。另外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜性，在模型、載荷、激勵(lì)等方面都具有很大的不確定性，減振系統(tǒng)的優(yōu)化不可避免地應(yīng)考慮系統(tǒng)不確定性的影響，可以利用模糊集或區(qū)間數(shù)學(xué)理論結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不確定性優(yōu)化，以提高減振系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。

2.3 燃燒與排放系統(tǒng)的優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放系統(tǒng)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、噪聲、排放等重要指標(biāo)，影響到節(jié)能與環(huán)保性能。對(duì)燃燒與排放系統(tǒng)的優(yōu)化可從兩個(gè)方面進(jìn)行。一方面是燃料噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，可通過電控單元精確控制各氣缸的燃油噴射量，自由控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使得發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和最佳的輸出響應(yīng)特性，并使得氣缸達(dá)到最佳混合氣狀態(tài)，提高燃油熱效率，降低噪聲，另一方面是優(yōu)化進(jìn)氣管系的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，優(yōu)化壓縮比。未來的燃燒與排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮噴射系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)注重結(jié)構(gòu)、燃燒、流體、噪聲等不同專業(yè)領(lǐng)域的性能提高，進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展動(dòng)向

3.1 從常規(guī)噴射向微噴射發(fā)展

普通的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，其引燃柴油噴射系統(tǒng)仍采用原柴油機(jī)上的噴油系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在雙燃料方式時(shí)，通過機(jī)械或電控執(zhí)行器減小噴油泵的供油量，通常噴油泵的最小供油量可以達(dá)到全負(fù)荷油量的5%。這樣引起的主要問題是：首先，是噴油器的噴油量過小，容易導(dǎo)致噴油器過熱;其次，是在雙燃料工作方式，發(fā)動(dòng)機(jī)的NO排放雖比原柴油機(jī)低，要想進(jìn)一步降低NO排放，必須減少引燃柴油循環(huán)噴油量;再有，就是在雙燃料工作方式，發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度大幅度減少，但顆粒（PM）排放仍較高，減小顆粒排放，必須減少引燃柴油循環(huán)噴油量;最后，是從經(jīng)濟(jì)性考慮，柴油消耗量越少越好，因此也有必要減少柴油噴射量 。

3.2 從預(yù)混合進(jìn)氣向缸內(nèi)噴射發(fā)展

為了減少預(yù)混合掃氣短路損失，強(qiáng)化缸內(nèi)燃燒過程，提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，一些最新的技術(shù)采用天然氣缸內(nèi)噴射技術(shù)，將天然氣和柴油高壓噴人燃燒室，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)可以保證高壓縮比和高強(qiáng)化前提下，同時(shí)獲得好的經(jīng)濟(jì)性和低的排放，特別是低的NO 排放數(shù)值J。

4結(jié)束語(yǔ)

總之，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（一般指柴油/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)），以天然氣為主要燃料，可以克服柴油機(jī)NO 和PM高排放的缺點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工作過程中幾乎可以無煙運(yùn)行，并且與我國(guó)現(xiàn)階段的天然氣供應(yīng)狀況相適應(yīng)，具有良好的發(fā)展前景。因此，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，是一項(xiàng)非常重要的課題。

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