论文部分内容阅读
船用二冲程柴油机功率大、热效率和可靠性高,已经成为船舶运输的主要推进动力源。船用低速二冲程柴油机使用重油作为主要燃料,经济性得到了巨大的改善,但污染物排放问题十分严重。国际海事组织(IMO)对于NO_x排放量的限制值逐渐严格,其中在2016年开始执行的Tier Ⅲ排放标准对NO_x的限制值比上一阶段Tier II降低了74%～76%。由此可见,为了使船用二冲程柴油机NO_x排放满足Tier Ⅲ标准,开发船用柴油机NO_x控制技术刻不容缓。本文使用CONVERGE软件对船用二冲程柴油机进行三维仿真。首先根据柴油机结构参数搭建三维模型,依据实验数据验证了模型的准确性;分析了基础工况下缸内当量比、氧浓度、温度和NO_x的分布,为后文分析研究奠定基础。对原始模型中喷油器的结构参数设置进行修改,分别分析喷孔直径、喷孔数量和喷油角度对燃烧和排放的影响规律。结果表明:喷孔直径通过影响喷油压力,对NO_x排放的影响程度较大,在0.90～1.05 mm范围内几乎成线性关系,孔径每增加0.05 mm,NO_x排放量下降约16.7%;喷孔数量和喷油角度分别影响油束在空间横向和纵向的分布,进而影响燃烧情况。在原始模型中分别应用EGR和米勒循环,设置了多种EGR率和米勒正时方案,通过观察缸内参量的分布、温度、NO_x排放和油耗等,分析了EGR和米勒循环对燃烧和排放的影响规律。结果表明:EGR能显著降低NO_x排放,随着EGR率的升高,爆发压力和缸内温度下降明显,NO_x排放整体呈“倒S”形下降,在31%EGR率达到Tier Ⅲ标准,此时油耗比原机上升9.6%;米勒循环对缸压有较大影响,随着米勒循环程度的加深,NO_x排放量近似线性下降,但下降幅度有限。为进一步研究喷油器参数设置对NO_x排放控制的潜力,将喷孔直径分别与喷孔数量和喷油角度耦合,经分析选出了三个优化方案S1、S2和S6,可以在一定程度上改善NO_x排放和油耗的关系。为减小EGR废气中颗粒物和硫化物对设备的影响,需降低所使用的EGR率,将EGR与米勒循环耦合,选出了两个耦合方案EM3和EM8,其NO_x排放达到Tier Ⅲ标准,但油耗有所上升。为控制上述方案EM3和EM8的油耗增长,将其分别与喷油器参数设置的三个优化方案S1、S2和S6结合,研究EGR、米勒循环和喷油器参数设置三者对NO_x和油耗的共同作用。结果表明:三者耦合可以有效降低油耗,并保持NO_x排放量基本不变。在三者耦合方案中选出两个满足Tier Ⅲ标准的方案EM3S2和EM8S2,其油耗分别比EGR耦合米勒循环的方案EM3和EM8下降了5.67%和4.95%,可以作为船用二冲程柴油机实现Tier Ⅲ标准的可行方案。