大型低速二冲程柴油发动机具有较高的热效率,动力性和耐久性等优点。由于其高效率和高可靠性,大型二冲程船用柴油机成为货船的主要动力。在不降低热效率的情况下降低发动机排放是一项具有挑战性的任务。实际上,燃烧效率和排放物形成都强烈依赖于燃烧特性,而燃烧主要决定于混合气的形成,例如液滴的分解、蒸发和与空气混合。同时,缸内流动的影响在上述过程中起着重要作用。由于经济性的原因,现在都用重质燃油（HFO）作为船舶的燃料,这些燃料含有大量轻质燃料精炼后的残留物,如硫和金属。这种燃料粘稠度高,需要在发动机使用之前加热。随着人们环保意识的增强,为了限制和控制船舶有害物质的排放。1997年9月27日,国际海事组织（IMO）与国际防止船舶污染公约（MARPOL）（73/78）签订了MARPOL公约,其中船用柴油机排放的NOx排放限值在附录VI中明确规定,并于2005年5月19日对所有已签署协议的船舶生效。船舶污染的国际公约（MARPOL 73/78）的附件六是使船舶空气污染物合法化的主要国际公约,为降低海洋船舶排放氮氧化物提出了渐进的要求。NOx排放控制分为三个阶段,第一阶段氮氧化物排放限制适用于2000年1月1日之后生产的发动机,排放量不超过17g/kW·h。第二阶段适用于2011年1月1日或以后建造的船舶上安装的船用柴油发动机,与第一阶段相比,氮氧化物排放量不超过14.4g/kW·h,降低了15%。第III阶段适用于2016年1月1日或之后开发的船用柴油机,或适用于2016年1月1日之后进行重大改进且NOx排放量≤3.4g/kW·h的发动机,与前一阶段相比减少76%。为了适应越来越严格的排放法规,目前船用柴油机的NOx减排措施主要分为三类:预处理、机内净化和后处理。预处理手段主要通过改变燃料的性质实现,包括替代燃料和燃料乳化。机内净化主要通过优化喷雾燃烧过程来实现,包括优化的燃料喷射正时、废气再循环、涡轮增压、米勒循环和加湿技术等。后处理手段是通过处理NOx来减少排放,其中使用最广泛的是选择催化还原（SCR）技术。而机内净化是船舶低速柴油机控制排放污染物的核心,主要通过控制燃烧喷射来实现。燃料喷射系统的作用是让燃料达到高度的雾化,以便使燃油在非常短的时间内充分蒸发、雾化,并获得足够的喷雾穿透力,以充分利用空气充量。为了实现高效燃烧,燃料必须充分雾化然后分布在整个燃烧空间中。燃油喷射系统必须能够根据发动机的转速、负荷在适当时间以一定的速率喷射燃油,以满足最优化的燃油量。通常情况下,供油泵从燃油箱中抽取燃油并通过过滤器将其输送到高压喷油泵。喷油压力取决于喷油位置和发动机尺寸,一般压力在100²00MPa之间。高压喷射泵将燃料通过高压管道输送到气缸盖中的喷油嘴中,并将额外燃料输送回燃料箱。如今使用较多的喷油方式是混合喷射、共轨喷射和延时喷射。船用柴油机性能受喷油起始点（SOI）的影响。SOI决定了早期的燃烧。喷油提前,最高燃烧温度上升。缸内最高压力和最高温度出现在上止点之后。随着燃油不断喷射,缸内压力不断增加。较高的缸内压力和温度缩短了燃油雾化时间。从而进一步加快燃烧速度,缸内压力增加。而推迟喷油,则会影响到功率和比油耗。NOx随SOI的推迟逐渐减少,但是比油耗增加,指示功率下降。SOI延后推迟了燃烧过程并缩短燃烧时间,造成了燃料燃烧不充分,同时每推迟1度SOI,ISFC上升约1.5%,指示功率下降约50 kW。但是在高EGR率下使用提前SOI,ISFC能得到较好的控制。这对于改善发动机的性能是一项有意义的研究工作。废气再循环技术（EGR）是一种排放控制技术,用于处理大部分发动机的NOx排放问题,包括:轻型发动机、中型和重型发动机以及低速二冲程发动机。EGR的工作原理是通过将一部分废气与新鲜空气相混合再循环到发动机气缸并一起参与燃烧。EGR、SCR、以及双燃料技术是满足IMO Tier III标准规定的有效技术手段。但是对于船用二冲程发动机,SCR系统过于庞大,不便于安装。低速二冲程船用柴油机以重燃料油（HFO）为主要燃料,双燃料并不适合。EGR技术是一种可以有效降低柴油机NOx排放的排气控制技术,并已经应用于摩托车发动机和船用发动机（中速和高速）。与汽油机相比,柴油机燃烧过程中的过量空气系数较大,废气中二氧化碳和水蒸气较少,因此EGR率大。EGR主要来自以下几方面来抑制NOx的形成。首先,EGR技术引入了含较高二氧化碳和水蒸气的废气,二氧化碳和水蒸气具有较高的比热容,会降低燃烧室内局部温度,因此混合气的吸热能力增强,导致燃烧温度降低。NOx主要在高温富氧区域产生,因此较低的气体温度会减少NOx形成。其次,EGR技术可以降低混合物中的氧气浓度,再循环的废气进入气缸的充量越多,混合气中氧气含量越低,从而减少NOx的产生。此外,在高温燃烧过程中,水蒸汽和再循环的CO₂通过吸热而分解,从而降低燃烧温度并减少NOx的产生。根据不同的工作方式,EGR可以分为高压EGR和低压EGR或者外部EGR和内部EGR。低压EGR具有更大的工作范围,可以在低速范围内改善燃料消耗和烟尘排放;高压EGR可以减少船用发动机高速工况下的泵气损失,进一步提高燃油经济性。船舶实现外部EGR面临的主要问题是船舶经常使用重油燃料,其含有较高的硫含量,废气中含有较多的SOx,直接引入进气系统会对涡轮增压系统造成损害。为了解决这些问题,需要高质量的燃料或对废气进行处理。MAN公司在一台船用低速二冲程柴油发动机上对外部EGR系统进行了实验,并在系统上提供了废气处理系统,以去除废气中的酸性物质。研究发现,通过调整EGR率可以使发动机的NOx排放达到Tier III级排放标准。均质充量压缩点火（HCCI）技术已应用于火花点火（SI）和压缩点火（CI）发动机中。HCCI燃烧是汽油和柴油发动机的最佳燃烧方式,可产生类似柴油的动力效率,同时在某些运行限制下保持汽油类无碳烟排放。HCCI燃油喷雾过程与SI发动机相似,而燃烧过程采用均质燃烧,与CI发动机相似。因此,HCCI具有SI和CI燃烧过程的共同优点。HCCI发动机的燃烧控制是当活塞到达上止点（TDC）时,通过压缩自动点燃燃料。发动机必须具备可变压缩比（VCR）,以调整到达TDC时的缸内状态并点燃可燃混合气。采用VCR方法可以轻松点燃各种燃料。在HCCI发动机中,整个气缸的着火过程没有任何扩散火焰或火焰传播的情况。在应用HCCI发动机之前,应该对不同参数的影响进行评估,HCCI燃烧的挑战包括:（1）燃烧阶段控制;（2）受控的着火过程;（3）运行范围;（4）冷启动;（5）未燃碳氢（UHC）、CO排放;（6）均质充量的制备。在这些挑战之中,均质混合气的制备和燃烧相位的控制对燃烧效率和排放方面起着至关重要的作用。为了掌握HCCI燃烧的基本原理,首先需要了解NOx和碳烟的形成。NOx和碳烟的形成区域以当量比-温度（?-T）来描述。在低当量比和高绝热火焰温度下会形成NOx。通过降低火焰温度至小于2200K的水平,可以抑制NOx形成。另一方面,在高当量比或富含燃料的混合物及中等温度的区域形成碳烟,这可以通过强化混合或增加氧化来抑制碳烟排放。在传统的柴油发动机中,燃料的当量比可以直观的展示NOx形成和碳烟排放的路径。在柴油机运行期间减少NOx形成的策略通常导致碳烟排放的缺点,反之亦然。减少氮氧化物和碳烟这些排放物最直接的方法就是控制火焰温度和当量比。据此,HCCI燃烧的主要目的是为了降低火焰温度,并保证充足的空气和燃料混合以提高进气的均匀性。为了降低船舶低速二冲程柴油机的排放,本文开展了基于定容燃烧弹的船舶柴油机的燃烧和排放特性研究工作。主要包括定容弹喷雾仿真模拟和燃烧过程模拟。在本文的模拟工作中使用了喷雾模型和燃烧模型,基本的控制方程包括气相控制方程和液相控制方程。其中,喷雾液滴破碎模型采用KH-RT模型;液滴碰撞模型采用NTC模型,液滴蒸发模型使用Frossling模型,液滴湍流扩散模型使用O’Rourke模型,燃烧模型使用Shell/CTC模型,排放模型中的碳烟模型使用Hiroyasu-NSC模型。为了研究船用低速二冲程柴油机中重油的喷雾特性,对定容弹内重油的喷雾特性进行了数值模拟。基于苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的喷雾实验结果进行验证。旋转式定容弹（RFCVCC）的直径为500mm,高度为150mm。在定容弹中,侧面开有倾斜进气口,通过进气口将环境气体（氮气/空气）注入定容弹。燃烧室内的涡流比设定为3,确保速度范围为15²5m/s。本文所建立的实验装置的三维几何模型使用2mm的结构尺寸网格,并采用基于速度和温度的自适应算法（AMR）。算法将最小网格加密为1mm,网格总数为3.76×10⁶。本文主要研究涡流比,环境压力,环境温度,喷射压力,喷射器参数（即喷孔的方位角/径向位置和角度的变化）等对HFO喷雾及燃烧的影响。通过设定与定容弹中相同的涡流比,研究定容弹中不同燃料喷射角度的影响。喷射角度定义为喷射液体与喷射器法线之间的角度,分别为104°、97°、90°、83°和76°。重油的物理参数取自其他文献,包括粘度、表面张力、饱和蒸气压和蒸发潜热等随温度的变化情况,重油的热导率与柴油相同。重油的密度为848kg/m3,蒸发临界温度为736K。与柴油相比,重油具有较高的粘度、较大的表面张力、较高的汽化潜热、较低的饱和蒸汽压、较高的密度和较高的汽化临界温度,这影响了燃烧和排放过程。首先,本文进行了一个无反应的模拟来验证RFCVCC中的喷雾模型。实验研究表明,临界温度较高的重油具有较差的蒸发特性,气相和液相中喷雾贯穿长度之间没有明显的分离。基于喷雾模型参数敏感性分析的基础上,在喷射角度为60°、环境温度900K、环境压力9MPa、6MPa和3Mpa下,对重油燃料的雾贯穿长度与重油喷雾试验结果进行比较。结果显示,喷雾模型的贯穿长度与实验吻合较好,随着环境压力的降低,喷雾贯穿距逐渐增大,喷雾锥角和轮廓与实验喷雾锥角和轮廓基本相同,验证了HFO喷雾模型的可靠性。接下来进一步研究了涡流比、喷嘴孔径变化、喷嘴孔位置变化、环境温度变化、喷射压力变化对液体喷射贯穿距、喷雾形态、SMD、蒸发燃料质量的影响。对于涡流比对喷射贯穿距的影响研究方面,喷射方向从104°,97°,90°,83°和76°进行变化。在这种情况下,不同涡流比条件下贯穿距得到了改善,但是由于逆流效应,贯穿距急剧下降。在喷嘴直径从0.675mm变化到0.875mm的过程中,液体喷雾的贯穿距随着孔喷口直径的减小而减小,但喷雾发展变得更有效。对于从1000bar到1400bar的喷射压力变化,液体喷射贯穿长度随着喷射压力和蒸发燃料质量的增加而增加,且SMD随着喷射压力的增加而增加。对于环境温度从900K到1100K的变化,在恒定的9MPa的环境压力下。结果表明,随着环境温度的升高,喷雾渗透率和蒸发燃料质量略有增加,但随着环境温度的升高,其对SMD的影响很大。上述喷雾研究是HFO燃烧和排放研究的重要依据。为了研究船用低速二冲程柴油机中重油的燃烧特性,对重油燃烧过程进行了数值模拟研究。首先进行了重油热释放率,CTC/Shell燃烧模型参数的灵敏度分析和验证。同样采用直径500mm,高150mm的RFCVCC模型,喷射压力1000bar,喷油持续时间设定为20度,喷孔直径为0.875mm,环境压力为9MPa,环境温度为900K。另外,为了研究船用低速二冲程柴油机在相同条件下定容弹内的氧气浓度对重油燃烧和排放的影响程度,开展了不同氧浓度对燃烧和排放的影响,氧气浓度从21%变化到15%。环境氧浓度对重油的燃烧和排放有巨大的影响。随着氧浓度的降低,燃烧温度降低,排放物中的氮氧化物减少,碳烟增加。在一定范围内,随着涡流比的增加,喷雾液滴更加分散,喷雾的气相蒸发增强。其结果是,缸内燃烧变得更加激烈,气缸内的最高爆发压力和最高温度显著增加,并且NOx排放增加。随着进气湿度的增加,由于进气混合物中水的比例增加,热容量增加,吸热能力增加,混合气中的氧气比例降低,一定程度降低了气缸内的平均压力和温度峰值,降低了NOx排放。随着EGR率的增加,由于通过EGR引入CO²而导致进气混合物的比热容增加,并且氧气浓度降低,燃烧反应降低,气缸内的平均压力和温度峰值降低,并且NOx排放减少。