低速二冲程船用柴油机高效清洁燃烧技术的数值模拟研究

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作者：

王晨

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摘要：

低速二冲程柴油机具有功率大,可靠性高等优点,在船舶推进装置中占据支配地位.国际海事组织IMO颁布的TierⅢ标准要求NOx排放限值相比于Tier I标准降低约80%,对船用柴油机燃烧技术提出了严峻挑战.控制船用柴油机NOx排放和提高性能的方法包括缸内净化技术和后处理技术,其中缸内净化技术成本较低,结构设计简单,是发动机开发中的核心过程.本文针对某型低速二冲程船用柴油机进行了三维数值模拟,研究探讨了实现Tier III排放的技术方案,对新一代自主低速柴油机的开发具有重要理论指导意义和工程应用价值. 首先,利用 Converge 三维数值模拟软件,基于 KH-RT 的喷雾破碎模型和Shell-CTC燃烧模型,建立了二冲程船用柴油机仿真模拟平台,并进行了实验验证.在此基础上,研究了EGR,喷油策略(包括喷油正时,喷油压力,多次喷射技术),油气匹配等技术对船舶柴油机燃烧过程和排放的影响规律,探讨了实现Tier Ⅲ的综合技术方案. 研究结果表明,EGR是降低NOx排放最有效的缸内净化技术,单独采用EGR可以实现Tier III排放标准,但会造成BSFC恶化.在EGR氛围下,综合调整喷油正时和喷油压力可以同时控制燃烧热效率和燃烧相位,进一步优化 NOx 和BSFC的关系.从经济性角度出发,最大限度提高喷油压力基础上匹配合适的喷油正时是降低BSFC的有效措施;从排放角度出发,推迟喷油正时的基础上适度提高喷油压力,降低NOx排放并减缓BSFC恶化程度.预喷射技术可以优化燃烧相位和主喷燃烧温度,具有同时改善BSFC和NOx的效果.综合应用EGR,提高喷油压力,调整喷油定时和预喷射四种技术,可以在满足Tier III排放基础上,显著提高燃油经济性. 油气匹配研究的结果表明,调整扫气口水平倾角可以适度优化 BSFC,但NOx减排潜力有限.在一定的扫气口角度下,综合调整涡流面和纵截面喷油角度进行匹配,可以优化NOx排放和BSFC的综合表现.

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关键词：

低速 二冲程 船用柴油机 清洁燃烧技术

学位级别：

硕士

学位年度：

2017