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高压直喷双燃料船用发动机燃烧过程数值模拟研究
| 论文题名： | 高压直喷双燃料船用发动机燃烧过程数值模拟研究 |
| 关键词： | 高压直喷双燃料船用发动机;结构参数;油气匹配策略;燃烧特性;排放性能 |
| 摘要： | 低速二冲程柴油机功率大、可靠性高，是海洋船舶运输的主要动力源。由于环境问题的限制，国际海事组织对船用发动机排放控制提出了严峻要求。天然气是一种经济、环保、安全的能源，燃用天然气可降低发动机硫化物、氮氧化物等污染物排放，已得到船舶行业的广泛关注。高压直喷（HPDI）天然气技术是应用于船用发动机的重要模式，保证燃料经济性的同时使NOx达到TierⅢ限值是该机型面临的主要问题。本文针对一台高压直喷天然气/柴油双燃料船用低速机，进行了三维全尺寸模拟。 为改善燃料与空气混合，有效优化燃烧过程，提升发动机性能，降低排放水平，本文分析了研究机型扫气口结构参数、引燃油喷射正时和角度以及天然气喷射正时和持续期等油气匹配参数对发动机燃烧及排放的影响。结果表明，涡流比对燃料分布及缸内高温区域分布影响显著，改变扫气口水平倾角可使NOx排放最大降低15%。调整引燃油喷射正时和角度直接影响了天然气的着火时刻及位置，引燃油晚于天然气喷射推迟了着火时刻；顺涡流方向旋转喷油角度，两种燃料喷束重叠度减小，不利于天然气引燃过程，燃烧过程柔和，喷油角度顺涡流调整30°时，NOx排放可降低20%。提前天然气喷射正时，可在缸内形成预混合气，促进燃烧反应速率，天然气提前4℃A喷射，发动机功率升高1.36%；适当缩短天然气喷射持续期促进了天然气与空气快速混合，燃料放热更加集中，有利于发动机功率的提升，但排放显著恶化，天然气喷射持续期缩短至11.6℃A，NOx排放相比原机增加38.76%。 各油气匹配参数的协同作用可以优化发动机的燃烧及排放性能，但降低NOx的潜力有限。为满足严苛的TierⅢ法规，需要进一步结合湿式燃烧、废气再循环等机内净化技术。增大进气加湿量后，缸内燃烧温度及压力峰值均呈现降低趋势，最大加湿量下，NOx降低57.81%。采用缸内直接喷水技术，水与引燃油喷射角度相差越小，引起的缸内涡流变化越大，促进了燃烧，较小喷水夹角下，水与燃料接触更充分，减少了缸内局部高温区域，NOx生成量减少。30%废气再循环率可以使发动机满足TierⅢ排放法规，但是较高EGR率下燃烧经济性恶化明显。 综合各参数对经济性及排放性能的优化潜力，在25%EGR氛围下，结合扫气口水平倾角15°、天然气喷射正时-1℃A、天然气喷射持续期17.6℃A、引燃油喷射正时2℃A、涡流面喷油角度-10℃A、纵截面喷油角度-5℃A的油气匹配策略，可以达到Tier III要求，燃气消耗率仅比原机升高1.69%。 |
| 作者： | 李长锟 |
| 专业： | 动力机械及工程 |
| 导师： | 王天友 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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