国际海事组织防污染等级Ⅲ：解决清洁和高效问题的天然气和双燃料发动机外文翻译资料

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论文序号：187

国际海事组织防污染等级Ⅲ：解决清洁和高效问题的天然气和双燃料发动机

Claudio Christen，ABB涡轮增压系统有限公司，瑞士

Daniel Brand，ABB涡轮增压系统有限公司，瑞士

摘要：采用奥拓（Otto）循环的气体和双燃料发动机是一种降低国际海事组织Ⅲ级规则规定的排放限制的商业解决办法。此外，它已被证明，由两级涡轮增压和可变阀门正时启用的Miller过程是一个有吸引力的解决方案，它能大大的提高权衡发动机的燃料消耗和排放的问题。对于天然气发动机，这个方案可以用来将燃料的消耗与比功率之间的权衡带上新的高度。天然气发动机能表现出很好的结果这一潜在的优点已经被证实。为了证明带有强Miller循环，两级涡轮增压和可变阀门正时的双燃料发动机的特点，进行了一个综合的模拟研究。研究已经确认当无缝整合ABB公司的两级涡轮增压和阀门变轨时，在提升柴油和天然气发动机的燃料消耗方面有着巨大的潜力。另外，当设计一个由柴油和奥拓循环来决定运行能力的发动机时，灵活的VCM（阀门变轨系统）能解决其中的一些问题。并且正如广泛的热力学模拟实验指出的那样，FPP操作在提高天然气和双燃料发动机的机动性和功率的方面可以实现。当讨论到预期的挑战时，本论文呈现出了一些假设、边界条件、基础建模方法和潜在的发现。

序言

纯天然气和双燃料发动机被广泛的认为可以作为船舶推进器的替代品，因为它们能遵从国际海事组织等级Ⅲ规定的的排放限制。然而，现在设计的船舶发动机因为存在燃烧敲缸现象而被限制。在用纯天然气发动机的情况下，则限制了效率和功率密度的提高。在用双燃料发动机的情况下，在柴油机模式下同样面临着低效率的问题。

基础周期性的模拟研究，本论文将会介绍一个双燃料发动机，它在柴油和天然气操作模式下既能减少燃料的消耗又能提升功率密度。另外，它还包括一个更为自发的负载响应的控制方案。模拟的结果预测能减少的燃料消耗，而现在商用的发动机只能减少大概的燃料消耗。同时，在柴油和天然气工作模式下功率密度能提升至bmep（平均有效制动压力）=。

为了实现预期提出的概念，需要下面这些技术模块：

bull; 高效的二级涡轮增压在运用强Miller循环时能提供一个合适的升压要求。运用Power2时，ABB公司有一个能完美适任要求的解决方法。

bull; 为空气/燃料比的控制而设计的可变进气阀关闭系统和柴油、天然气模式转换功能。（例如ABB公司的阀门变轨系统）

bull; 具有灵活设定SOI装置的先导燃油喷射系统。

bull; 优化了固定的压缩比。

bull; 能承受bmep（平均有效制动压力）达到26bar的机械结构和能承受最大燃烧压力达220bar的气缸。

现在，这是一个众所周知的事实，将强Miller循环和二级涡轮增压引入有助于提高发动机效率和更高的功率密度and。ABB公司准备提供二级涡轮增压作为解决方案来支持OEMs这个概念的实施。从现在的论文来看，一个基础的模拟案例研究将会证明对船舶天然气和双燃料发动机来说，这是很有效的。

此外，它将会被证明，运用阀门变轨技术，例如ABB公司的阀门变轨解决方法VCM， 有解决双燃料发动机问题的潜力。在发动机额定功率范围内，柴油和天然气这两种操作模式能在其各自最佳热力学状态下工作。通过进一步开发阀门变轨系统的能力，例如：燃烧跳跃，部分的符合效率在天然气模式下会进一步提升。自从VCM能使天然气和柴油各自单独的工作达到最优化后，之前所建议的天然气模式将能被应用于纯天然气发动机中。自从建立了双燃料发动机技术后，材料被纳入了以下的方案中。首先，目前使用的发动机控制策略中已经介绍过了。其次，发动机的开发领域能为功率密度的增加和燃料的节约带来更大的可能性。最后，循环的模拟实验已经被用来研究新的观点，也被用来评估和讨论它尚未被发现的部分，这也同样也是它的挑战。

现有的技术和目前的发展路径

1.已经设计出的双燃料发动机

现在商用船舶双燃料发动机的bmep（平均有效制动压力）在20至22bar的范围内，它们的特点是一级的涡轮增压系统、温和的Miller循环和固定气门正时。这种的压缩比非常低（在11至13的范围内），这是为了防止在天然气模式下发生发动机的敲缸。通常缸径会有一点加大来对应柴油模式下的输出。通常，双燃料发动机在一个稳定的速度下工作。但是，最近宣称FPP（固定螺距螺旋桨）也是如此。

2.天然气发动机的控制方法

发动机进气门的天然气输入由进气门内的进气阀来控制。空气过量比要由相应的控制设备来调整，来使发动机工作时，的排放在一个预期范围内，即在发火失败与燃烧敲缸这个范围之间。对于双燃料发动机的制造，排气门就是用于上述的目的。图一就展示了其他一些可能的控制元件，比如循环压缩机、节流阀和可变几何涡轮增压系统。所有的控制设备都是用来控制空气过量比（或在预混合天然气发动机的情况下控制发动机的功率），但会有不同的因素来影响发动机的工作，下面将会说到。

图片1-发动机结构和控制元件

Fuel Gas-燃气 Intake Receiver-进气接收器 Engine-发动机 Throttle-节流阀

Exhaust Gas Receiver-排气接收器 Compressor Recirculation-循环压缩机

VTG-可变几何涡轮增压 Exhaust Waste Gate-排气门

在没有可变气门正时的情况下，增压效率由发动机的稳定工作点决定，这主要取决于发动机的质量流量和速度。由公式(2)看出，空气过量比由当时的空气压力决定。如果接收器中空气的压力，和由它决定的已经被循环压缩机或节流阀预先调整过，例如在环境温度低的情况下，发动机无法感知任何变化，因为进气和排气接收器的压力几乎相同。另一方面，如果有着同样规格的涡轮机，进气接收器的空气压力由带有排气门的排气接收器喷出更多的燃气来调整，这样发动机的背压就会减小。这就会减小换气的损失，并且发动机的效率会提升。

公式（1）

公式（2）

3.未来发动机发展的重点

对于未来双燃料发动机的发展，一下的4点被认为是最重要的：

1. 提升在天然气和柴油这两种工作模式下的效率。
2. 提高功率密度。
3. 在没有减小发动机稳定工作状态的情况下提升负载的阶跃相应和发动机的加速性能。
4. 通过减小燃烧敲缸的趋势来让直接驱动推进成为现实。

下一部分将会简述一下发动机和涡轮增压是如何将上述几个层面设定为目标并实现它的。

双燃料和纯天然气发动机能带来的东西

通过奥拓循环可知，控制不期望发生的燃烧敲缸是提升功率密度和发动机工作效率的一个重要因素。

造成燃烧敲缸的因素有很多，例如天然气燃料甲烷含量过少、缸内进气均匀度不足、相邻的气缸或相邻的循环中气缸内的物质有变化、燃烧室内有的地方过热、堆积物的形成、润滑油的蒸发、气缸中有大量的没燃烧的燃气造成压力-时间曲线异常等。

燃烧敲缸通常很难预测并且需要妥善的解决，例如当设计空气和燃气的混合并分配至各个单独气缸时或当设计气缸头的冷却系统时，我们仅仅去确定一些少数与设计有关的任务。

从涡轮增压的角度来看，气缸中没燃烧的燃气的压力-时间曲线对涡轮增压的影响最大，因为它会直接影响涡轮增压系统。

1.提升燃气和柴油模式下的效率

正如上面所提到的，不期望有的燃烧敲缸是否会在气缸中发生取决于气缸中的温度压力曲线。在温度和压力值很高时，未燃烧燃气的停留时间会使燃烧敲缸发生的几率更大。当气缸头、凸轮的设计、接收器的温度已经确定时，这会使压缩比和平均有效制动压力的设计值受到限制。功率密度设计值越高，则压缩比的最大值越小。

给定空气过量比，气缸的进气效率的减小（Miller的影响变大）会导致气缸内的循环温度降低，这会使压缩比或功率密度增大。然而，为了保持稳定的空气过量比，增压空气的压力需要提升到一个更高的程度（如公式（2）所示，与增压效率成反比）。因为单级的涡轮增压可以实现有限的压力水平，所以只有适度等级的Miller可以被实现。正如上面所说，现在的发动机在压缩比大约在11至13之间时，可用增压压力来实现功率密度bmep大约达到20bar。由于受到燃气工作模式的限制，发动机在柴油模式下特别受影响，其压缩比大概达到16就是很好的了。

图2显示压缩比的提高可以给闭环效率带来明显的提升。这个图是基于理想气体的性质，在恒定的功率密度，空气过量比和循环开始温度来形成的理想限制压力循环（理想过程）。蓝色的线是显示在不同的循环最大压力下，从等容到等压的过程变化。因此，每条蓝色的线都表示一个的常数比。此图也显示了当工作在压缩比=12时，柴油模式下未使用的潜在效率。当的值大约上升至16时，闭环工作效率的上升会超过Delta;。通过提升Miller的效率可以将压缩比上升至16，因此可以将发动机的两种工作模式都进行提升。当然，相应的也要大量的提升增压空气的压力。只通过一个涡轮增压器，是无法将增压空气的功率密度达到及以上的。因此，二级涡轮增压器是必不可少的。

同时，当运用Miller循环和二级涡轮增压后，在发动机效率方面，发动机的纯天然气模式已经超过了其柴油模式。就功率密度而言，天然气发动机正在接近现有的柴油发动机。此外，压缩比也朝着柴油发动机接近。

由于二级涡轮增压的中间冷却并压缩的过程，其工作效率远高于单级涡轮增压。要求越高的压力比，那么二级涡轮增压的中间冷却过程效率就要越高。高的涡轮增压效率致使发动机的压降变大，因此能大量提升换气的工作效率。

图2-无热损失的闭环效率。蓝色的曲线是当空气过量比一定时，随着的变化，Delta;在定容与定压循环间的变化。

1. 在发动机工作效率不降低的情况下提升负载响应

空气部分的控制手段，例如节流阀、循环压缩机就发动机效率而言是不利的，空气部分的控制是会比排气部分的控制更快速的影响发动机的运转的。例如，负载的改变和发动机的加速就是这样的。空气过量比的控制是基于阀的变化来控制（阀门变轨系统），控制元件正对着气缸进气装置，因此它比循环压缩机和节流阀更快速的影响气缸的进气。此外，与节流和循环压缩机比，燃气的交换损失也显著下降，但如图三描述的，废气门控制水平也与其类似。就阀门变轨系统而言，没有废气或压缩机的空气被排出，因此，接收器的压力就上升了。为了保持所期望的空气过量比，如公式2，进气阀更早的关闭会使增压效率降低（之前Miller已经假设过）。同样的发动机功率和空气过量比，在节流的情况下排气压力会保持在同一水平。由于发动机的压降上升，换气损失会下降，通过提高Miller的损失，可以在某种程度上抵消这种下降。然而，除了换气损失下降，由于Miller效应提高，闭环工作效率的大幅上升，整个过程的温度也会下降。

图3-废气门控制和阀门变轨控制与节流控制（或循环压缩机控制）的不同之处

1. 提升功率密度并使固定螺距螺旋桨工作成为可能

如上面所提到的，在功率密度较高时，燃烧敲缸限制了天然气发动机，因为气缸内压力的上升是造成敲缸的关键。不仅如此，除温度、压力、空气过量比之外燃气混合停留的时间也在其中扮演了重要的角色，燃气的特性将会在随后有关敲缸现象建模的那节讲述。混合后的燃气暴露在压力与温度的中的时间越长，越有可能发生燃烧敲缸。因此，发动机在较小的速度和交大的转矩下工作，例如当气缸内进气混合停留的时间变长时，对燃气发动机来说，固定螺距螺旋桨就成为一个必不可少的部分了。这个问题能通过运用相应的强Miller正时来解决。在减少循环过程的温度后，发生燃烧敲缸的危险就减小了。因此需要在减小发动机速度的情况下提升功率密度和提高转矩。

从基础模拟研究的角度看，下一节将会介绍如何提高奥拓循环发动机（纯天然气和双燃料发动机）的工作效率和功率密度，来与柴油部分进行对比。ABB公司准备支持未来高增压高效率的燃气和双燃料发动机，因其拥有二级涡轮增压和阀门变轨这两个领取的技术。

有关新双燃料和天然气发动机的建模

建模研究的一开始是用通过单级涡轮增压、普通Miller循环、固定凸轮轴的双燃料发动机对发动机模型进行校准，形成一个标准的以柴油喷射为主的系统，燃料喷射试验用CR系统，燃料的接受用气缸口喷射系统。这个模拟模型被扩展和改进后有以下几个特点：

bull;二级涡轮增压系统

bull;较高的压缩比

bull;强Miller效应

bull;可变进气阀系统

气缸压缩比的上升会使发动机柴油模式下的效率上升。但为了防止在燃气模式下发生燃烧敲缸，Miller效应需要被提升并且燃烧的相位需要推迟。不仅如此，正确的参数选择，例如：压缩比、Miller效应（增压效率）和燃烧的相位不仅仅受到燃烧敲缸的限制，还会受到先导型柴油喷射器的安全点火条件的限制。另外，其他的设计限制例如气缸的最大允许压力和涡轮进口的温度同样需要被考虑到。

通过模拟实验来预测燃烧敲缸和先导型喷射器的点火（燃气操作模式下）是个有挑战性的任务。下一段将会介绍更多有关评估燃烧敲缸和先导型喷射器燃烧的细节。随后，将会在模拟实验中介绍发

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