船舶发动机天然气应用的关键技术研究

【摘要】：在目前全球航运业竞争激烈、能源匮乏油价持续走高以及节能减排呼声高涨的影响下,船东出于成本和社会责任,纷纷将目光投向燃油耗能较低的绿色环保型船舶。天然气作为替代能源具有价格便宜、资源丰富、污染少等特点,并且LNG技术的不断发展成熟,单位体积所容纳的燃料大大提高,对于燃料空间要求较高的船舶来说,是一个非常大的技术进步。考虑到石油资源的紧缺和人们环保意识的增强,各国在大力发展LNG船舶技术,并随着各国LNG实验船只的涌现和LNG供给基础设施的的建设和完善,天然气作为船舶发动机的替代燃料有着非常光明的应用前景。 本文介绍了目前LNG作为船舶动力一些实例应用和现阶段推广应用所遇到的问题；分析了LNG作为船舶发动机燃料的广阔前景。分析比较了多种天然气进气方案的优点和缺点,并结合实际情况确定了天然气的掺烧策略和进气方案,选择单片机作为中央控制单元,进行信号的分析和程序控制。并用流体分析软件FLUENT软件对进气情况进行建模分析,对天然气的进气方案和进气结构做了详细分析。对天然气喷射阀的流量特性和驱动方式进行了详细研究,选择了适合本实验的天然气喷射阀和驱动方式。通过在上柴的2135G型柴油机上的实验,分析了发动机在双燃料模式下的经济性、能耗性和调速率,实验表明,天然气／柴油双燃料发动机的经济性可以提高25%左右,排放改善明显,能耗和调速率都在比较理想。 最后,介绍了现阶段出台的船舶双燃料发动机系统设计和安装指南对于船舶上应用双燃料发动机的规范要求。并按照要求,将本次实验成果应用到一艘内河拖船上实际运行,运行过程中可以在线调整天然气的进气量以达到比较理想的效果。结果表明,常用工况下天然气可以替代65%以上的柴油,且航行过程中船舶主机运行稳定,没有出现排温过高和转速波动的现象,也没有影响驾驶员的操作习惯。在长期稳定运行中验证了本LNG试验系统和控制策略在船舶应用上的可行性和经济性。 【关键词】：双燃料发动机 LNG技术 进气方案 船舶实验
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U677.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 研究的目的和意义9-10
• 1.2 双燃料发动机的发展10-15
• 1.2.1 双燃料发动机供气技术的发展10-12
• 1.2.2 双燃料发动机国内外研究现状12-15
• 1.2.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2.2 国内研究现状13-15
• 1.3 双燃料发动机的电子控制概述15-16
• 1.4 本文的主要研究工作16-18
• 第2章 LNG技术和船舶应用研究现状18-26
• 2.1 LNG燃料特点优势与技术发展18-21
• 2.1.1 LNG的理化特性18-19
• 2.1.2 LNG与其他新兴燃料的对比优势19-20
• 2.1.3 LNG作为船舶燃料的基础条件发展20-21
• 2.1.3.1 LNG技术的发展20
• 2.1.3.2 气体发动机技术的日益成熟20-21
• 2.2 世界LNG动力船舶研究应用现状21-23
• 2.2.1 国外研究和应用现状22
• 2.2.2 国内研究和应用现状22-23
• 2.3 LNG燃料船的经济性与发展前景23-25
• 2.3.1 LNG作为船舶燃料的经济性23-24
• 2.3.2 LNG作为船舶燃料的发展前景24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 天然气供气系统设计研究26-57
• 3.1 天然气喷射阀驱动电路的设计27-32
• 3.2 天然气喷射阀物理模型的建立32-37
• 3.3 天然气流量标定系统的介绍37-38
• 3.4 天然气喷射阀流量特性与模型的合理性38-43
• 3.4.1 背压的影响38-39
• 3.4.2 进气压力的影响39-40
• 3.4.3 喷射时间与流量的关系40-42
• 3.4.4 模型的合理性与喷射阀主要参数的选定42-43
• 3.5 进气均匀性分析43-56
• 3.5.1 进气总管直接喷射进气均匀性分析44-51
• 3.5.2 进气总管间接喷射进气均匀性分析51-56
• 3.5.2.1 对压力的影响52-54
• 3.5.2.2 对密度的影响54-56
• 3.6 本章小结56-57
• 第4章 双燃料发动机实验与数据分析57-65
• 4.1 实验研究的目的意义和内容57
• 4.2 实验设备和传感器的选型57-58
• 4.3 实验方案的确定和实验工况的选取58-60
• 4.3.1 实验方案的确定58-59
• 4.3.2 实验工况的选取59-60
• 4.4 经济性分析60-61
• 4.5 能耗分析61-63
• 4.6 调速率分析63-64
• 4.7 本章小结64-65
• 第5章 船舶双燃料发动机应用研究65-76
• 5.1 船舶双燃料发动机系统设计规范65-69
• 5.1.1 双燃料发动机舱室65-66
• 5.1.2 气体燃料管系66-67
• 5.1.3 双燃料发动机67-68
• 5.1.4 控制、监测与安全系统68-69
• 5.2 实船双燃料系统的设计69-73
• 5.3 实验方案与经济性分析73-74
• 5.4 本章小结74-76
• 第6章 总结与展望76-78
• 6.1 全文总结76-77
• 6.2 工作展望77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-81

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