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船用双燃料低速机高效能量转化和超低排放仿真研究
| 论文题名： | 船用双燃料低速机高效能量转化和超低排放仿真研究 |
| 关键词： | 船用低速双燃料发动机;燃料重整;废气再循环;燃料电池;节能减排 |
| 摘要： | “双碳”目标与近“零”排放的提出持续推动着船用燃料朝着低碳＼无碳的方向发展。天然气是目前最受欢迎的低碳燃料之一，但是较低的压缩比限制了天然气发动机热效率的提升，同时天然气发动机也存在着甲烷逃逸问题。船用发动机应用燃料重整技术能够有效改善燃烧，EGR系统也能够有效降低甲烷逃逸和NOx排放。因此，本文针对天然气发动机现存的问题，以5RT-flex50DF低速二冲程双燃料发动机为研究目标，利用燃料重整、EGR以及燃料电池集成等手段实现船用发动机的节能减排。具体开展以下工作: 基于Chemkin软件对燃料重整反应过程进行模拟分析。对甲烷蒸汽重整和干重整进行分析，研究温度、反应物当量比的影响。此外，对上述反应掺混添加剂进行分析，分析添加正庚烷对反应的影响。模拟结果表明，添加正庚烷能够降低反应活化能，降低反应所需温度。最后，基于氢气生成情况以及耗能情况对添加剂含量、反应温度以及当量比进行综合选择。 基于船用低速双燃料发动机三维仿真模型对缸内燃烧进行分析。研究了高压EGR和燃料重整对燃烧以及排放的影响。结果表明，EGR率的提高能够降低甲烷逃逸量和NOx的排放，但是会使热效率降低;燃料重整率的提高会提高热效率和提高火焰传播速度，但是也会提高NOx的排放量。最后，对高压EGR发动机的燃料重整率进行选择。结果表明，20％的EGR率下，采用5％的燃料重整率能够在NOx排放满足TierⅢ模式下使热效率最大化，即NOx排放为2.93g/kWh，发动机热效率为49.3％，比原机高了2％;此外，甲烷逃逸量将降低约20％。 建立固体氧化物燃料电池-低速双燃料发动机应用燃料重整技术联合系统。对燃料电池匹配燃料重整模块进行优化研究，选择最适宜的燃料重整温度以及燃料电池温度。其次，利用燃料电池代替发动机部分功率，采用燃气分流形式对燃料电池以及发动机进行功率分配，并基于该系统进行优化，选择最适宜的功率分配策略。结果表明，在发动机已经实现了降低20％的甲烷逃逸量的基础下，燃料电池功率占总功率25％左右时能够使系统NOx总排放更低，约为0.97g/kWh;同时系统热效率提高，可达49.8％，比原机高了2.5％。 |
| 作者： | 曲金博 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 冯永明;吴朝晖 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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