本文關鍵詞：中速柴油機快速混合及低NO_x燃燒研究

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【摘要】：船用柴油機NOx排放所造成的環(huán)境污染越來越受到重視,國際海事組織(IMO)先后出臺一系列法案限制NOx排放。目前,在部分排放控制區(qū)(ECAs)試實行的IMO TierⅢ法規(guī)要求NOx排放限值比IMO Tier I法規(guī)降低約80%。本文以240中速柴油機為研究對象,開展了機內凈化技術降低NOx排放的研究。研究內容分為三個部分：1)基于新型燃燒室和噴油嘴的快速混合燃燒實驗研究；2)滿足MO Tier III排放法規(guī)的機內凈化NOx技術路線探索；3)將上述兩方面研究內容有機融合,實現(xiàn)快速混合及低NOx燃燒,在保證柴油機動力性的前提下,實現(xiàn)排放和經濟性的同時改善。為擴大噴霧在燃燒室的分布范圍、提高油氣混合速率、實現(xiàn)相對快速低溫燃燒,達到改善燃油經濟性,并降低NOx排放的目的,提出兩種新型燃燒室概念：1)大導向角燃燒室——在噴霧落點處設置導向環(huán),增強燃燒室對噴霧的碰撞導向作用,促進噴霧擴散,提高油氣混合速率；2)小導向角燃燒室——在噴霧落點處采用斜率較小的活塞頂面,使噴霧發(fā)展方向上所受阻力減小,擴大燃油分布范圍,促進噴霧與空氣的混合�；谏鲜鏊枷�,以240柴油機為研究對象,設計了三種型線的燃燒室；為了改善噴霧特性,研發(fā)了高擾動噴油嘴。通過臺架試驗,對新型燃燒室和高擾動噴油嘴的燃燒性能進行了初步研究。實驗結果顯示：采用大導向角燃燒室后,E3循環(huán)工況的NOx排放比原機降低10%,部分工況油耗率降低2%-6%;采用小導向角燃燒室后,E3循環(huán)工況的NOx排放降低8%,各工況油耗率平均降低3%；在同等噴射壓力條件下,采用高擾動噴油嘴使E3循環(huán)工況的平均油耗率降低4%,NOx排放降低19%；高擾動噴油嘴匹配大導向角燃燒室方案通過提高噴霧體積增大倍率和燃燒室對噴霧的碰撞導向作用,使燃油在燃燒室圓周方向、徑向和軸向的分布范圍同時得到改善,縮小缸內局部濃區(qū)范圍,E3循環(huán)工況的NOx排放降低32%,但在部分工況下油耗率略有升高；高擾動噴油嘴匹配小導向角燃燒室方案通過提高噴霧體積增大倍率,減小燃油噴射方向所遇到的擴展阻力,使燃油在燃燒室圓周方向和噴射方向的分布范圍同時得到改善,減少缸內局部濃區(qū),使E3循環(huán)工況下的NOx排放降低15%,平均油耗率降低4%。為了探索滿足MO Tier III排放法規(guī)的技術路線,應用AVL BOOST和CONVERGE軟件分別建立16V240型柴油機的整機循環(huán)和三維CFD缸內流體計算模型。經臺架實驗數據標定,對比分析多組Miller循環(huán)、EGR技術和優(yōu)化幾何壓縮比、噴油正時的方案對燃燒與排放的影響,并在240單缸機臺架實驗中進行Miller循環(huán)方案的驗證。研究結果顯示：Miller循環(huán)降低了壓縮行程的缸內溫度,從而控制NOx排放。但當該溫度過低時,預混合放熱量快速升高易導致柴油機工作粗暴。當與原機進氣門關閉時刻相對應的缸內溫度T580℃A (300-310 K)臨界溫度范圍時,甚至發(fā)生失火現(xiàn)象。采用M50方案可在保證柴油機穩(wěn)定運行前提下,使NOx排放降低41%。適當提高幾何壓縮比,配合噴油正時滯后可以使NOx排放降低幅度提高到50%以上。以此為基礎,增設EGR技術方案,模擬分別保持原機進氣壓力和進氣量不變兩種情況下,不同EGR率對燃燒與排放的影響。結果顯示：采用Miller循環(huán)技術后,再通入20%-30%的EGR廢氣可使NOx排放降低80%；保持進氣壓力與原機一致時,油耗率升高4%；通過提高進氣壓力,保持進氣量與原機一致時,油耗率略有改善；在此基礎上,適當提高幾何壓縮比使soot排放相對原機下降7%,實現(xiàn)NOx和soot排放同步降低的目標,并且油耗率降低4%�；�240柴油機快速混合燃燒實驗研究和機內凈化NOx技術探索,提出“快速混合及低NOx燃燒”概念：以“大導向角燃燒室或小導向角燃燒室匹配高擾動噴油嘴”,形成快速混合燃燒系統(tǒng)；提出“中度Miller循環(huán)技術和中度EGR技術相結合,同時適當提高幾何壓縮比,將噴油正時滯后”的機內凈化NOx技術路線。模擬5組降排放方案下E3循環(huán)工況下柴油機的缸內燃燒過程,結果顯示快速混合及低NOx燃燒方式可以使NOx滿足IMO Tier III法規(guī),同時保持原機的動力性,改善經濟性。
【關鍵詞】：柴油機 油氣快速混合 NO_x排放 燃燒室 噴油嘴
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U664.121.2
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-23
• 主要符號表23-25
• 1 緒論25-60
• 1.1 研究背景25-29
• 1.1.1 環(huán)境污染25-26
• 1.1.2 排放法規(guī)26-29
• 1.2 NO_x生成機理29-32
• 1.3 降低NO_x排放技術措施分類及發(fā)展32-58
• 1.3.1 燃燒室優(yōu)化32-36
• 1.3.2 噴油系統(tǒng)優(yōu)化36-40
• 1.3.3 充量調節(jié)40-43
• 1.3.4 缸內加水43-49
• 1.3.5 后處理技術49-51
• 1.3.6 新型燃燒技術51-58
• 1.4 本文主要研究內容及方法58-60
• 2 快速混合燃燒實驗研究60-82
• 2.1 快速混合燃燒概念提出60-63
• 2.1.1 大導向角燃燒室概念概念提出61
• 2.1.2 小導向角燃燒室概念提出61-62
• 2.1.3 高擾動噴油嘴概念62-63
• 2.2 實驗臺架與測試設備63-66
• 2.2.1 研究對象63
• 2.2.2 實驗臺架63-64
• 2.2.3 測試設備64-65
• 2.2.4 E3循環(huán)測試工況65-66
• 2.3 實驗方案66-68
• 2.4 實驗結果分析68-81
• 2.4.1 100%轉速、100%負荷工況結果分析68-71
• 2.4.2 91%轉速、75%負荷工況結果分析71-74
• 2.4.3 80%轉速、50%負荷工況結果分析74-76
• 2.4.4 63%轉速、25%負荷工況結果分析76-78
• 2.4.5 E3循環(huán)工況整體結果分析78-81
• 2.5 本章小結81-82
• 3 Miller循環(huán)模擬與實驗研究82-141
• 3.1 研究對象與方法82-84
• 3.1.1 研究對象82
• 3.1.2 研究方法82-84
• 3.2 240柴油機一維計算模型建立與驗證84-89
• 3.2.1 計算模型建立84-85
• 3.2.2 子模型選擇85-86
• 3.2.3 計算模型驗證86-88
• 3.2.4 整機循環(huán)計算結果分析88-89
• 3.3 240柴油機三維計算模型建立與驗證89-100
• 3.3.1 計算模型建立89-91
• 3.3.2 流體力學計算基本控制方程和子模型選擇91-95
• 3.3.3 計算模型驗證95-98
• 3.3.4 缸內燃燒與排放計算結果分析98-100
• 3.4 Miller循環(huán)模擬研究100-131
• 3.4.1 計算方案100-102
• 3.4.2 進氣門關閉時刻對燃燒與排放的影響102-113
• 3.4.3 幾何壓縮比對Miller循環(huán)方案燃燒與排放的影響113-120
• 3.4.4 噴油正時對Miller循環(huán)方案燃燒與排放的影響120-127
• 3.4.5 降排放方案模擬結果分析127-131
• 3.5 Miller循環(huán)實驗研究131-140
• 3.5.1 實驗方案131-132
• 3.5.2 不同程度Miller循環(huán)實驗驗證132-136
• 3.5.3 提高幾何壓縮比Miller循環(huán)實驗驗證136-140
• 3.6 本章小結140-141
• 4 滿足IMO TierⅢ標準的機內凈化NO_x技術路線研究141-159
• 4.1 EGR技術模擬研究141-153
• 4.1.1 計算模型141-142
• 4.1.2 計算方案142
• 4.1.3 進氣壓力恒定的EGR技術計算結果分析142-147
• 4.1.4 進氣量恒定的EGR技術計算結果分析147-153
• 4.2 快速混合及低NO_x燃燒模擬研究153-158
• 4.2.1 技術路線153
• 4.2.2 機內凈化NO_x計算方案153-154
• 4.2.3 E3循環(huán)工況計算結果分析154-158
• 4.3 本章小結158-159
• 5. 結論與展望159-162
• 5.1 結論159-161
• 5.2 創(chuàng)新點161
• 5.3 展望161-162
• 參考文獻162-172
• 攻讀博士學位期間科研項目及科研成果172-174
• 附錄A 縮寫174-176
• 致謝176-177
• 作者簡介177

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本文編號：984388