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原文传递基于废气-燃料重整再循环的船用LNG发动机燃烧与排放特性研究

论文题名：	基于废气-燃料重整再循环的船用LNG发动机燃烧与排放特性研究
关键词：	船用液化天然气发动机;废气-燃料重整再循环;燃烧特性;排放特性
摘要：	面对日趋严苛的船舶排放法规要求，液化天然气（LNG）逐渐成为广泛应用的船用发动机替代燃料。但是传统火花塞点燃式船用天然气发动机存在高空燃比时容易失火导致热效率降低，以及高负荷容易发生爆震和NOx升高等问题。废气燃料重整再循环（REGR，ReformedExhaustGasRecirculation）技术利用催化剂在线重整部分废气与燃料制取富氢重整气，并将重整气循环进入发动机缸内改善燃烧。通过富氢燃烧与废气再循环相结合，REGR技术可有效降低发动机NOx污染物排放并使其维持较高的循环热效率。然而废气-燃料重整器与船用LNG发动机联合闭环运行时，两者之间存在复杂的耦合作用关系，限制了REGR技术在该类型发动机中污染物排放控制的应用。因此本文开展了基于REGR技术的船用LNG发动机燃烧与排放特性研究，揭示了重整气对LNG发动机燃烧过程以及污染物组成的影响规律，探明了发动机运行条件下废气-燃料重整制氢特性，阐明了重整器与发动机联合运行闭环系统中两者之间的相互作用规律，并提出两者运行参数匹配点以满足IMOTierⅢNOx排放标准，为REGR技术在船舶大气污染物排放控制中提供重要参考。本文的主要研究情况如下：　　（1）以H2、CO和N2等成分配制重整气，通过船用LNG发动机掺混燃烧重整气试验，研究重整气添加对LNG发动机燃烧与排放特性的影响规律；结果表明掺烧重整气可以改善发动机NOx排放与当量燃料消耗率的“trade-off”关系，实现同时降低NOx排放与当量燃料消耗率。通过合理匹配重整气添加率与发动机过量空气系数可实现发动机NOx排放控制，并满足IMOTierⅢ阶段排放标准。而增加重整气中H2浓度并降低CO浓度能进一步提高发动机热效率并降低THC和CO排放。　　（2）建立发动机燃烧室全模型模拟发动机进排气过程，并耦合详细化学动力学机理求解燃烧过程，研究了LNG发动机掺烧重整气后尾气中CH4和CO排放特性以及其主要组成。结果表明总CH4排放包含三部分：未燃天然气引起的CH4排放，未燃重整气引起CH4排放以及气门泄漏引起的CH4排放。随着重整气添加率（Rre）增加，缸内未燃CH4质量大幅度降低，气门泄漏引起的CH4排放质量略微减少，最终使得发动机尾气总CH4排放不断降低。同样地，发动机总CO排放包含三部分：天然气不完全燃烧引起的CO排放，未燃重整气引起的CO排放以及气门泄漏引起的CO排放。随着Rre增加，缸内未燃重整气引起的CO排放质量与气门泄漏引起的CO排放质量皆呈线性增加趋势，导致发动机尾气总CO排放不断增加，且此时缸内未燃烧重整气引起的CO排放逐渐成为总CO排放中占比最大的部分。排气门关闭时刻推迟，缸内燃烧得到改善，少量降低了缸内CH4和CO排放质量，而与此同时气门泄漏引起的CH4和CO排放质量却大幅增加。最终尾气总CH4和CO排放随排气门关闭时刻推迟先基本维持不变后大幅增加。　　（3）设计与发动机相匹配的逆流式废气-燃料重整器，开展实际发动机运行条件下重整器制氢特性试验研究，结果表明借助发动机废气废热，Ni/Al2O3催化剂能催化重整部分废气与甲烷制取重整气，重整气中H2浓度范围在6%~12%之间。废气-燃料重整制氢过程中甲烷主要发生部分氧化重整反应以及完全氧化重整反应，整体表现为放热，此时重整器壳侧流动的废气主要起预热与保温作用。反应物中CH4与O2摩尔比、重整废气率和发动机过量空气系数主要分别通过改变重整反应过程中反应物浓度、体积空速和温度来调控甲烷通过不同重整反应被消耗的相对比例关系，进而影响重整气的组分浓度。在试验范围内，当反应物中CH4与O2摩尔比为3.0、发动机过量空气系数为1.55以及重整废气率为6%时，重整气中H2浓度可达到最大值。　　（4）研究了废气-燃料重整器与船用LNG发动机联合运行闭环系统中重整器与发动机之间的相互作用关系，获取了运行参数对重整器与发动机性能的影响规律，提出了面向IMOTierⅢNOx排放标准的闭环系统匹配点。当废气燃料重整再循环（REGR）率为4.7%~5.8%时，与原机相比闭环系统的NOx排放降低了60~70%，船机E3循环模式下可满足IMOTierⅢ排放标准；虽然REGR模式下，发动机热效率与原机相近，但是由于重整器进行废气-燃料重整制氢时存在部分能量损失，最终导致闭环系统的当量燃料消耗率比原机高1.1~2.9%。　　（5）建立废气-燃料重整器与LNG发动机联合运行闭环系统数值计算模型，以此研究过量空气系数λ与REGR率对发动机性能与排放的影响规律，分别借助λ与REGR率表征空气稀释率与重整气稀释率，定量对比分析空气稀释与重整气稀释对燃烧相位、缸内爆压、燃料消耗率以及排放等性能参数的影响规律，进而定量解析过量空气系数与REGR率对发动机性能影响的耦合作用关系。最终，通过多目标优化方法确定闭环系统运行参数的最佳匹配点。
作者：	龙焱祥
专业：	轮机工程
导师：	李格升
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022