随着船舶航运行业节能减排要求的越来越高，改良优化船舶内燃机成为了重中之重。船舶双燃料发动机是指可同时使用气体燃料和燃油的发动机，工作时可以在纯燃油和双燃料模式下相互转换。天然气作为清洁能源，燃烧产物中无氮氧化物和硫化物，其取代燃油作为船舶内燃机的主要燃料将具有很大的经济效益和环境效益。

为研究船舶双燃料发动机的性能，论文以零维模型和准维模型作为理论基础，探究替代率为75%的天然气-柴油双燃料发动机的单区热力学模型和双区现象学模型。由于内燃机燃烧过程的复杂性，在模型探究时都作了相关的简化假设，使其在实际应用及探究时更加实用。基于MATLAB软件自带函数库，对两个模型中复杂的微分方程组进行计算机求解，从而大大地减少了人工运算的费时费力。在探究热力学模型分析船舶双燃料发动机的同时，也通过与普通船舶柴油机的实际工况进行对比，从而更能准确地验证模型分析的准确性。

节能减排，加快转变经济发展方式是当今社会的主旋律。船舶行业作为现代交通运输业的重要一环，担当着推动交通运输行业节能减排工作向深度发展使命感和紧迫感。2009年哥本哈根世界气候大会，要求发达国家强制实行减排和发展中国家自主采取措施减排。我国温室气体排放位居全球第一，面临着更严酷的减排挑战。据统计，我国有90%以上的外贸货物需通过海上运输完成。如果水运行业节能减排工作进展缓慢，海运船队节能减排水平不能满足IMO国际公约的要求，将会影响我国航运业的发展，进而影响到我国国民经济的平稳发展。再者由于石油资源的稀缺性及日益枯竭，导致国际油价的不断飞涨，船舶航运业的运营成本不断攀升。

在促进航运业节能减排和深度发展中，改良优化船舶的“心脏——船舶内燃机”成为了重中之重。船舶普通柴油机尾气中主要含有硫氧化物（SOx）、氮氧化物(NOx)、二氧化碳（CO2）、碳氢化物（HC）和微粒（PM）等污染物，其中硫氧化物（SOx）和氮氧化物(NOx)可造成酸雨，对环境生态造成毁灭性打击。二氧化碳作为温室气体主要会造成全球温室效应。为减少船舶柴油机尾气污染，在现有成熟的技术下，加强能源利用转化率和采用清洁能源为两大主要措施。船舶双燃料发动机作为以天然气为主要燃料的内燃机，其主要排放物为二氧化碳和水，无疑将大大促进船舶的节能减排。当今世界天然气资源十分丰富，前些年在海底还探测出“可燃冰”（主要成分为天然气），无疑将为天然气替代石油作好铺垫。船舶双燃料发动机将成为当今船舶航运业研究和发展的焦点。

为研究船舶双燃料发动机，对内燃机的热力学过程研究，特别是对缸内的热力学过程进行模拟计算，这对内燃机的现象燃烧过程研究与初期开发是非常有用的^[1]。零维热力学模型可快速简便地预测内燃机的性能、放热规律，从而计算气缸内温度、压力随曲柄转角的变化。准维现象学燃烧模型就是在热力学模型的基础上考虑喷雾、湍流火焰传播，从湍流的参数入手，可以更加精确地对发动机实际燃烧过程进行模拟，建立质量燃烧率函数，预测缸内不同区域的温度和压力，并能预测有害气体的排放浓度^[2]。论文通过建立这两个模型对比研究，对船舶双燃料发动机的燃烧特性进行分析。同时在复杂的微分方程求解过程中，基于MATLAB软件提供的函数实现快速简便的求解。从而能为船舶双燃料发动机的节能减排做好市场应用铺垫。

1.2国内外研究发展现状

1.2.1内燃机数值模拟研究现状

在内燃机的数值模拟研究历程中，从简单的零维模型发展到较为精确的准维模型，最后由学者提出最为精确的多维模型。纵观整个发展历程和各模型的特点，不难发现准维模型呈现出诸多思想火花碰撞的壮观场面。研究人员对柴油机燃烧过程分析方式的不同，出现了多种不同观点、不同功能、不同用途的准维燃烧模型：（1）美国康明斯(cummins)公司林慰梓等人提出的以气相喷注为基础的“气相喷注燃烧模型”，（2）日本广岛大学广安博之等人提出的以油滴蒸发为基础的“油滴蒸发燃烧模型”，两模型比较有代表性，应用较为普遍，也比较成熟^[3]。

林慰梓博士等学者提出气相喷注燃烧模型：在柴油机的做功冲程期间，气缸内工质的温度已远超过燃油气化的临界温度，故气缸内燃油的存在形式为燃油蒸气。以这个为基本前提，根据实验研究情况和稳态气相射流理论，推导出基本的燃油—空气混合方程，最终得出由燃油—空气的混合速率决定燃烧过程的进展。日本广岛大学广安博之等学者则独辟蹊径，根据基本的燃烧规律，研究油滴间的蒸发及相互作用。认为燃烧过程主要取决于燃油的蒸发速率。当然两个模型也有共性：均由喷注模型（确定雾束几何形状及燃油空气混合气浓度分布）、燃烧热力学计算模型、排放物生成模型三部分构成。

国内一些内燃机学者紧随准维模型的发展潮流，对国外学者提出的内燃机模拟模型进行完善和改进。吉林工业大学袁中庄等学者在非直喷柴油机气态污染物的形成领域颇有建树，提出了一氧化碳（CO）形成模型。紧随其后，1989年天津大学内燃机研究实验室学者创新地提出了一个直喷式柴油机准维现象学模型。

1.2.2船舶双燃料发动机的发展现状

为降低船舶排放物对环境的污染和降低船舶运营成本，目前全球航运界刮起了用天然气替代燃油的一股旋风。虽然早在1964年LNG（液化天然气）就开始应用于专门的运输船，但直到2000年才开始应用于其他类型船舶。经过十几年的发展，其现今仍处于起步阶段，市场应用和普及率不高。但因双燃料发动机动力船舶具有经济、环保两大优势，其越来越受到航运企业的重视并且迅速发展。在全球双燃料发动机开发中，瓦锡兰、曼恩两个柴油机巨头独占鳌头。

船舶低速双燃料发动机的开发研制，在原有的船舶燃油供应系统成熟可靠、岸上LNG供应站的建设成本较高、船舶柴油机性能不断完善改进的“三座大山压迫”下，一直处于非常缓慢的研制进展状态。现今，全球研发成功的低速双燃料发动机只有瓦锡兰的RTX5型和曼恩的ME-GI型发动机。相较于低速双燃料发动机，船舶中速双燃料发动机的研发速度明显领先。世界主要柴油机制造商都率先推出了船舶中速双燃料发动机，并应用于大量的船舶上。现今，成功研发船舶中速双燃料发动机的制造商有瓦锡兰、曼恩、卡特彼勒（Mak）等，共有5种机型。在国内，虽然没有推出船舶双燃料发动机的机型，但国内各企业联合开展的“长江绿色物流创新工程”和“气化长江”项目，都旨在推进国内河船舶的“油改气（用天燃气取代燃油）”工作的进展。

1.3论文主要研究内容

论文作为本科生毕业设计论文，主要以学习完善本科阶段专业知识为主，论文紧随当今船舶航运业节能减排的大背景下开展船舶双燃料（天然气/柴油）发动机的性能模拟研究：

（1）：查阅相关文献，了解基于MATLAB的内燃机热力学与现象燃烧分析模型对比研究及应用现状。

（2）：查阅相关文献与书籍，学习理解内燃机热力学模型和现象燃烧分析模型的基本原理。

（3）：学习并掌握使用MATLAB的基本技能，用MALTLAB软件计算热力学模型和现象学模型中涉及的常微分方程组。

（4）：利用已建立好的模型对船舶双燃料内燃机的燃烧特性进行模拟分析，绘制图形，得出结论。

第二章：船舶双燃料发动机简介

2.1工作原理

双燃料发动机是指可以同时使用气体燃料和燃油的发动机，工作时可以在纯燃油和双燃料模式下相互转换，例如LNG/柴油双燃料发动机、LPG/柴油双燃料发动机、CNG/柴油双燃料发动机等。论文中天然气-柴油船舶双燃料发动机是指以天然气为主要燃料，用少量低燃点的柴油来引燃的内燃机。

船舶“双燃料”技术是指在不改变船舶整船结构和性能的基础上，加装一套天然气（LNG/CNG）电控喷射系统装置。燃料供给方式为电控单点喷射式：用电控混合器在进气总管采集原发动机的转速和冷却水温度等信号，采集的相应状态参数被送入电子控制器（CPU），信号处理后控制柴油和天然气各自的喷射量，喷入的少量柴油由于其燃点低，在压缩冲程中先着火，引燃气缸内的天然气-空气混合物，从而实现了采用清洁能源-天然气。

双燃料改造方式不会对内燃机原有结构做出大量的改变，并且还可以燃烧天然气和柴油两种燃料；在没有足够气体燃料时，仍然可使用普通柴油，是天然气发动机应用的主流。其具有以下特点：通过两种燃料理化特性的互补作用，改善燃烧、提高功率、降低比能耗；解决气体燃料自燃温度高，不容易压燃的问题；扩大可用燃料的范围，适应加气站少的情况；发动机改装较容易，使用成本较低。

2.2LNG/柴油双燃料发动机分类

LNG/柴油双燃料发动机在所有双燃料发动机中，因其排放污染低、经济性好、动力性较高和噪声小，发展最为迅速。发展至今，根据燃料喷射方式，它主要分为以下三类：

（1）单点喷射式LNG/柴油双燃料发动机：单点喷射式LNG/柴油双燃料发动机又称为进气道预混合式LNG/柴油双燃料发动机，采用在进气总管喷射的方式喷射气体燃料，通过传感器采集的信号判断燃料的供给量。其优点为：开发周期短，供气简单、成本低，易达到空燃比的要求。缺点为：空燃比变化响应慢、效果低于预期水平、热效率较低。

（2）多点喷射式LNG/柴油双燃料发动机：在每缸进气歧管定时进行喷射燃料的发动机。曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器负责采集信号，据此来判断需要喷射燃料的气缸。其优点为：准确控制空燃比、进一步降低排放指标、易于实现定时定量控制燃料和易实现稀薄混合气燃烧。缺点为：仍然对空气充量有一定的影响、改造成本较高和可能出现排气管“放炮”。

（3）缸内直喷式LNG/柴油双燃料发动机：缸内直喷式LNG/柴油双燃料发动机是用同一个电磁喷射阀将气体燃料和燃油同时喷入气缸内的发动机。其优点为：可质调节、减小空气冲量对其的影响、避免气体燃料的逸出、供气稳定和易于控制燃烧过程，便于优化发动机工作。缺点为：此类发动机对喷射阀的要求较高，维修成本大等。

2.3双燃料发动机控制策略

电控系统控制天然气喷射量和喷射时间，实现发动机双阶段双燃料的工作模式。所谓“双阶段双燃料模式”是指在怠速和50%以下负荷工况采用纯柴油模式工作，在50%以上负荷适量添加天然气，利用柴油压燃天然气^[4]。

（1）发动机工作模式转换时的控制策略

a)柴油转换双燃料（50%以上负荷）→设定天然气喷射阀初始控制参数→ECU向电子节气门和天然气喷射阀发送控制信号→ECU根据设定的替代率档位逐渐增大节气门开度→根据各缸排气温度对控制参数微调^[4]。

b)双燃料转换柴油→减小节气门开度→ 若节气门完全关闭→关闭天然气喷射阀。

（2）双燃料模式下稳态工作时的控制策略

a)比较各缸排温→若异常，判断是否到达控制极限→调整异常气缸喷射参数（未到极限）→调整其他气缸参数，调整节气门开度（已达极限）。

b)比较进气压力确定当前发动机负荷→比较油门执行器位置→若未达到，则调整节气门开度。

（3）双燃料模式下工作异常时的控制策略

分析发动机工作参数→判断故障原因→凸轮正时、液压压力、节气门位置反馈等信号异常，转速波动大于定值，关闭节气门、紧急截止阀，换回柴油模式→转速波动小，等待调速器自动调整。

第三章：内燃机燃烧过程模拟

3.1：概述

燃烧过程是影响内燃机工作性能的最主要因素之一，研究早期内燃机燃烧过程模拟计算建立在理论的循环基础之上，并作了一定程度上的简化：（1）用闭口循环来模拟不稳定的开口循环，（2）用等容、等压加热代替燃烧过程，（3）用等容放热代替排气过程，（4）不考虑实际的复杂换气过程，燃烧、传热过程只能做粗略估算。为了与实际结果匹配必须采用大量经验系数（如绝热指数），而且这些经验系数通用性较差，因此长期以来，内燃机的燃烧模拟过程仍然主要依靠经验，并且以实验为研究燃烧过程的主要手段。

随着电子计算机的出现，内燃机理论的发展和不断完善，以及计算机在内燃机中日益广泛应用，对内燃机工作过程的模拟日趋成为可能。用数学描述燃烧过程也逐渐发展壮大，内燃机工作过程数值计算（循环模拟计算）定义：从内燃机各系统的物理模型出发，用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学描述，求解这些微分方程，以求得各参数随时间的变化规律^[5]。

目前内燃机燃烧过程数值计算常见的数学模型有：（1）零维模型，（2）准维模型，（3）多维模型。

3.2零维模型

零维模型又称单区模型,该模型假定系统内各点的热力状态，化学成分相同（即将整个系统视为均匀场），系统内各参数不随空间坐标而变化，仅随时间（或曲轴转角）而变化，并且运用热力学第一定律和经验关系式统计分析得出规律性，这一单区模型假设又称零维假设^[6]。根据定义，零维模型中各参数的变化可用常微分方程：

表示。研究至今，成熟的零维模型有：Austen-Lyn的三角形法，Whitehoouse的单区模型，计算燃烧放热规律的Wiebe函数等。

我们都知道常微分方程数值求解较容易，故内燃机工作过程模拟计算，采用零维模型很方便。并且零维模型能有效的用于分析和计算内燃机的动力性能和预测燃烧过程的主要性能参数。但是零维模型也有其局限性，该模型忽略了燃烧过程的物理-化学变化，并没有研究气缸内燃烧区域动态的不均匀变化，故不能计算和预测氮氧化物及其他排放物的生成。大量运用经验系数，又导致模型的模拟精确性大大降低。

3.3准维模型

准维燃烧模型是在零维模型的基础上考虑燃烧过程、可燃混合气的形成，湍流火焰传播等现象，并将系统划分为两个或两个以上相对独立的子区，而在每个子区内各自满足零维假设，运用热力学定律列出各分区的温度、浓度等物理参数的常微分方程，从而可以更加精确地对内燃机实际的燃烧过程进行模拟。准维模型作为一种改进修正的热力学模型，其可准确地预测内燃机的工作性能和排放特性，目前已经成为内燃机燃烧模型研究中的主要重点和热点。目前内燃机燃烧研究中常见的康明斯模型，广安博之模型都属于准维模型。

3.3.1准维现象学模型

3.3.1.1模型的提出

G.A.Szekely等人提出了一个“柴油机两级放热分析模型”。它假定柴油机燃烧过程分两个阶段进行，第一个阶段的燃烧过程是在理论空燃比下进行的，称为浓混合区；第二个阶段燃烧是在较大的空燃当量比下进行的，称为稀燃混合区。这样该模型在形式上把气缸内充量划分为四个区间，但在同一时刻最多存在三个区间。浓空燃混合区和稀空燃混合区的空燃当量比是通过与试验数据的对比确定的。该模型与Lyn等人提出的单区柴油机放热模型相比，由于把不同当量比下的燃烧产物作为独立的热力学平衡系统加以研究，因而较好地计算了燃烧产物的成份和温度。但该模型对热力学控制体的划分实质上是逻辑的划分，缺少明确的物理含义，不能用来研究柴油机燃烧系统的主要参数，如供油参数、涡流转速、燃烧室口径等与燃烧放热规律和有害排放产物等发动机主要性能参数间的内在联系。

模型从柴油机喷雾燃烧现象出发，把柴油机燃烧室空间划分为四个开口热力学系统，即空气区、喷雾空气混合区、火焰区和燃烧产物区。其中喷雾空气区混合区由燃油蒸汽及卷吸的新鲜空气和燃烧产物组成，火焰区在每个计算步长内生成，并在步长终点经过等压膨胀进入燃烧产物区，与原有的产物均匀混合。

该模型以实验测得的气缸压力和供油压力等数据作为基本的输入参数，此外还包括了涡流转速、喷孔尺寸、燃烧室口径等燃烧系统的主要设计参数，用于计算柴油机燃烧放热规律、缸内各区温度及有害排放产物的变化历程以及喷雾的发展历程和相应的空气卷吸率。