船用双燃料发动机数值模拟分析与性能优化.pdf

摘要

在石油能源日益紧缺、海上环保法规日益严格的双重严峻形势下，将天然气这一清

洁能源作为船用发动机的替代燃料被认为是现阶段的一种可行且有效的方案，天然气发

动机高效、低有害物排放的工作过程是持续追求的目标。通过数值模拟方法，分析了关

键参数对船用双燃料发动机工作过程的影响，应用智能优化算法，对船用双燃料发动机

的部分性能进行了优化。

首先，建立了基于GT-POWER的整机仿真模型和基于CONVERGE的单气缸仿真

模型，经校核验证，模型误差低于4%，在此基础上研究了燃料喷射时刻和进气门关闭

时刻对燃烧过程、NOx排放水平的影响。研究结果表明，随着引燃油喷射时刻提前，燃

烧效果得到改善，NOx排放量增加；推迟天然气喷气时刻，可在缸内形成“上浓下稀”

分布，对燃烧过程和NOx排放水平的影响效果与提前喷油时刻类似，但不如提前喷油

的效果明显；进气门提前关闭实现米勒循环，同时提高进气压力，可大幅度减少NOx的

排放量。然后，通过拉丁超立方算法和GT-POWER模型获得了用于人工神经网络（ANN）

模型的训练数据集和测试数据集，以引燃油喷射时刻、进气门关闭时刻、进气压力作为

输入量，以功率、油耗率、NOx作为输出量，建立了ANN模型。分析了3个输入量两

两耦合对输出量的影响规律和效果，提前引燃油喷射时刻结合提高进气压力对提高功率、

降低油耗率效果明显，功率最大可提高19.3%，但NOx排放水平恶化。推迟引燃油喷射

时刻、提前进气门关闭时刻并提高进气压力，NOx减排效果明显，降低幅度为44.9%，

但功率和油耗率指标恶化。最后，联合ANN模型，应用遗传算法，对引燃油喷射时刻、

进气门关闭时刻、进气压力这3个参数进行了优化，结果表明，所关注的3个参数进行

合理组合，对船用柴油-天然气双燃料四冲程发动机在提升功率、同时降低NOx排放方

面具备一定的潜力和效果，当引燃油喷射时刻、进气门关闭时刻、进气压力优化后，功

率提高了1.21%，油耗率和NOx排放量分别下降了1.83%和38.21%。

通过数值模拟分析与多目标优化，讨论了关注的3个运行参数对船用双燃料发动机

的工作过程的影响，揭示了这3个参数两两耦合后对功率、油耗率、NOx的影响规律，

获得了这3个参数的最优组合，为其他同类型的船用柴油-天然气双燃料四冲程发动机

在中等负荷下的排放性能和经济性能的改善提供了一定的理论参考。

关键词：船用双燃料发动机；数值模拟；NOx排放；多目标优化

NumericalSimulationAnalysisandPerformanceOptimizationof

MarineDualFuelEngine

Abstract

Underthedualseveresituationofincreasingshortageofpetroleumenergyand

increasinglystrictmarineenvironmentalprotectionregulations,itisconsideredafeasibleand

effectiveschemetousenaturalgasasanalternativefuelformarineengineatthisstage.The

workingprocessofnaturalgasenginewithhighefficiencyandlowharmfulemissionisthe

continuousgoal.Throughnumericalsimulation,theinfluenceofkeyparametersontheworking

processofmarinedualfuelenginewereanalyzed,andsomeperformancesofmarinedualfuel

enginewereoptimizedthroughintelligentoptimization