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原文传递米勒循环船用高速柴油机工作过程仿真与优化研究

论文题名：	米勒循环船用高速柴油机工作过程仿真与优化研究
关键词：	船用高速柴油机;米勒循环;燃烧特性;氮氧化物
摘要：	随着国际海事组织和我国环境保护部制定一系列限制NOx的排放法规，如何实现船用柴油机NOx减排是当前研究的热点。米勒循环技术具有降低NOx排放的潜力，还可以降低柴油机工作时的热负荷和机械负荷，在柴油机NOx排放控制技术领域具有较好的应用前景。本文以恒定转速船用柴油机作为研究对象，开展了米勒循环对缸内工作过程影响及降低NOx排放的优化研究。　　首先利用BOOST软件建立V型12缸四冲程船用高速柴油机的整机模型，为中高负荷工况下的三维计算流体力学提供准确可靠的初始条件。其次，基于进气门早关米勒循环策略，利用插值法设计了五组不同的进气门升程型线，并利用三维软件AVL-FIRE探究米勒循环对柴油机缸内气体流动、喷雾燃烧和NOx生成过程的影响。最后，基于响应面法对两次喷射参数（第一次喷油时刻、第二次喷油时刻及第一次喷油量）进行优化，将优化得到的最优匹配结果结合米勒循环分析对柴油机燃烧和NOx排放的影响。主要研究结论如下：　　在E2测试循环下的100%负荷和75%负荷工况时，保证进气总量不变的条件下，研究进气门早关米勒循环对缸内燃烧过程及NOx排放的影响。结果表明：随着进气门的关闭时刻不断提前，即米勒度的增加，压缩上止点压力和温度均降低，缸内平均温度峰值和压力峰值都有不同程度的降低。在100%负荷、米勒度为50时，与原机相比，缸内压力峰值降低了7.9%，缸内平均温度峰值降低了5.4%。这有利于降低柴油机工作时的热负荷和机械负荷，延长发动机寿命。同时，随着燃烧的进行，可燃混合气减少，缸内温度降低，高温区域明显减少，NOx生成量和分布区域显著减少。在EIVC50米勒循环时，在100%负荷和75%负荷下，NOx生成量降幅达到最大，分别为33.1%和21.4%。此外，随着不断提前关闭进气门，与原机相比，100%负荷时滞燃期的变化和瞬时放热率的变化均不明显，但在75%负荷时，滞燃期明显增加，燃烧瞬时放热率峰值显著增加。　　在100%负荷工况下，对两次喷射参数进行优化，以第一次喷油时刻、第二次喷油时刻及第一次喷油量为研究因素，以缸内爆发压力和NOx最终生成量为响应值，利用响应面法进行优化分析，并在此基础上分析上述因素对柴油机燃烧和排放特性的影响。结果表明：以较好的缸内爆发压力和最低的NOx排放为优化目标，最终得到最优两次喷射策略为：第一次喷油时刻为35℃A BTDC，第二次喷油时刻为10℃A BTDC，第一次喷油量为每循环总喷油量的10%。随着第一次喷油时刻推迟，滞燃期延长，缸内燃烧温度和压力都有所降低，NOx生成量减少。但与第二次喷油时刻对缸内温度和压力的影响，其峰值显著降低，NOx的生成量也明显减少。第二次喷油时刻对缸内喷雾燃烧过程和NOx生成量的影响更大，为避免最终生成较多的NOx，不宜过早进行第二次燃油喷射。同时，第一次喷油量对燃烧和排放的影响也很重要。为避免发动机工作时承载较大的机械负荷和热负荷以及减少NOx的排放，应选取适当的第一次喷油量。　　最后，将优化后的两次喷射策略结合EIVC50米勒循环，发现缸内燃烧温度和压力峰值均有所降低，放热率峰值显著增加，燃烧更加集中，燃烧效率提高。NOx最终生成量与原机相比减少了48.32%。
作者：	吴成成
专业：	动力工程
导师：	魏胜利
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022