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高涡流条件下船用柴油机高效清洁燃烧技术数值模拟研究
| 论文题名： | 高涡流条件下船用柴油机高效清洁燃烧技术数值模拟研究 |
| 关键词： | 船用柴油机;缸内直接喷射新鲜空气;缸内气体自循环;高涡流;喷油参数优化;废气再循环 |
| 摘要： | 大缸径低速二冲程柴油机由于其热效率高、耐久性好、运行可靠、操作简单、维修方便等优势广泛应用于远洋运输船舶。面对其带来的环境、能源问题，在满足排放的同时兼顾船舶能效提升对我国船用柴油机行业而言是一项严峻挑战。 本研究针对某大缸径低速二冲程船用柴油机，使用CONVERGE软件建立了该机型的三维数值仿真模型，通过试验数据验证了该模型的准确性。首先提出了缸内直接喷射新鲜空气(IFA)技术，旨在不影响扫气效率的基础上显著提升缸内涡流，通过数值模拟研究了其对缸内油气混合过程、燃烧及排放性能的影响；随后进行了高涡流条件下的油气匹配研究，并探讨了EGR氛围下IFA技术满足排放要求的潜力；最后为了实现更高的燃油经济性，本文提出了缸内气体自循环(CGR)技术，基于优化的油气匹配参数研究了其对船用柴油机工作过程的影响。 IFA技术通过向缸内直接喷射新鲜空气有效增加缸内涡流水平，进而优化油气混合过程，改善燃烧性能。与Base工况相比，IFA策略下缸内当量比标准偏差降低，燃油和缸内工质的混合过程得到改善，燃烧速度提高，燃烧持续期得到不同程度的缩短。通过正交试验设计协同涡流面喷油角度、纵截面喷油角度两个关键喷油参数，获得最佳工况时热效率由Base工况的49.92%提升至51.97%，BSFC由Base工况的180.01g/kW?h降低至172.31g/kW?h。 传统EGR技术能够有效降低NOx排放，单独使用30%的EGR率即可满足TierIII排放法规要求，但BSFC较Base工况增加了9.89g/kW?h。EGR氛围下IFA技术的应用由于高涡流改善了燃烧过程，EGR率达到35%方可满足TierIII排放法规要求，但相比单独使用EGR技术满足排放法规时油耗降低了7.47g/kW?h，显著改善了EGR技术带来的燃油恶化的弊端。在高涡流及喷油参数优化的基础上，使用IFA技术满足TierIII排放标准需要更高的40%EGR率，此工况下NOx排放降低至2.82g/kW?h，相比Base工况BSFC降低了2.33g/kW?h。 CGR策略可以通过引入缸内自循环气体有效增加缸内涡流水平，与Base工况相比，仅采用缸内工质总质量3.64%的自循环气体可使上止点处涡流比增加131.8%，CGR工况和CGR-optimal工况下的有效功率分别增加了1.24%和3.28%，对应的BSFC分别减少了1.22%和3.18%。 |
| 作者： | 卢天龙 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 鲁祯;王子玉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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