本文關(guān)鍵詞：中速柴油機(jī)快速混合及低NO_x燃燒研究

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【摘要】：船用柴油機(jī)NOx排放所造成的環(huán)境污染越來越受到重視,國(guó)際海事組織(IMO)先后出臺(tái)一系列法案限制NOx排放。目前,在部分排放控制區(qū)(ECAs)試實(shí)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(jī)為研究對(duì)象,開展了機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)降低NOx排放的研究。研究?jī)?nèi)容分為三個(gè)部分：1)基于新型燃燒室和噴油嘴的快速混合燃燒實(shí)驗(yàn)研究；2)滿足MO Tier III排放法規(guī)的機(jī)內(nèi)凈化NOx技術(shù)路線探索；3)將上述兩方面研究?jī)?nèi)容有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)快速混合及低NOx燃燒,在保證柴油機(jī)動(dòng)力性的前提下,實(shí)現(xiàn)排放和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)改善。為擴(kuò)大噴霧在燃燒室的分布范圍、提高油氣混合速率、實(shí)現(xiàn)相對(duì)快速低溫燃燒,達(dá)到改善燃油經(jīng)濟(jì)性,并降低NOx排放的目的,提出兩種新型燃燒室概念：1)大導(dǎo)向角燃燒室——在噴霧落點(diǎn)處設(shè)置導(dǎo)向環(huán),增強(qiáng)燃燒室對(duì)噴霧的碰撞導(dǎo)向作用,促進(jìn)噴霧擴(kuò)散,提高油氣混合速率；2)小導(dǎo)向角燃燒室——在噴霧落點(diǎn)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(kuò)大燃油分布范圍,促進(jìn)噴霧與空氣的混合。基于上述思想,以240柴油機(jī)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了三種型線的燃燒室；為了改善噴霧特性,研發(fā)了高擾動(dòng)噴油嘴。通過臺(tái)架試驗(yàn),對(duì)新型燃燒室和高擾動(dòng)噴油嘴的燃燒性能進(jìn)行了初步研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：采用大導(dǎo)向角燃燒室后,E3循環(huán)工況的NOx排放比原機(jī)降低10%,部分工況油耗率降低2%-6%;采用小導(dǎo)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(dòng)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(dòng)噴油嘴匹配大導(dǎo)向角燃燒室方案通過提高噴霧體積增大倍率和燃燒室對(duì)噴霧的碰撞導(dǎo)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(shí)得到改善,縮小缸內(nèi)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(dòng)噴油嘴匹配小導(dǎo)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(kuò)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(shí)得到改善,減少缸內(nèi)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(shù)路線,應(yīng)用AVL BOOST和CONVERGE軟件分別建立16V240型柴油機(jī)的整機(jī)循環(huán)和三維CFD缸內(nèi)流體計(jì)算模型。經(jīng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定,對(duì)比分析多組Miller循環(huán)、EGR技術(shù)和優(yōu)化幾何壓縮比、噴油正時(shí)的方案對(duì)燃燒與排放的影響,并在240單缸機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行Miller循環(huán)方案的驗(yàn)證。研究結(jié)果顯示：Miller循環(huán)降低了壓縮行程的缸內(nèi)溫度,從而控制NOx排放。但當(dāng)該溫度過低時(shí),預(yù)混合放熱量快速升高易導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴。當(dāng)與原機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)溫度T580℃A (300-310 K)臨界溫度范圍時(shí),甚至發(fā)生失火現(xiàn)象。采用M50方案可在保證柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行前提下,使NOx排放降低41%。適當(dāng)提高幾何壓縮比,配合噴油正時(shí)滯后可以使NOx排放降低幅度提高到50%以上。以此為基礎(chǔ),增設(shè)EGR技術(shù)方案,模擬分別保持原機(jī)進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣量不變兩種情況下,不同EGR率對(duì)燃燒與排放的影響。結(jié)果顯示：采用Miller循環(huán)技術(shù)后,再通入20%-30%的EGR廢氣可使NOx排放降低80%；保持進(jìn)氣壓力與原機(jī)一致時(shí),油耗率升高4%；通過提高進(jìn)氣壓力,保持進(jìn)氣量與原機(jī)一致時(shí),油耗率略有改善；在此基礎(chǔ)上,適當(dāng)提高幾何壓縮比使soot排放相對(duì)原機(jī)下降7%,實(shí)現(xiàn)NOx和soot排放同步降低的目標(biāo),并且油耗率降低4%。基于240柴油機(jī)快速混合燃燒實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)內(nèi)凈化NOx技術(shù)探索,提出“快速混合及低NOx燃燒”概念：以“大導(dǎo)向角燃燒室或小導(dǎo)向角燃燒室匹配高擾動(dòng)噴油嘴”,形成快速混合燃燒系統(tǒng)；提出“中度Miller循環(huán)技術(shù)和中度EGR技術(shù)相結(jié)合,同時(shí)適當(dāng)提高幾何壓縮比,將噴油正時(shí)滯后”的機(jī)內(nèi)凈化NOx技術(shù)路線。模擬5組降排放方案下E3循環(huán)工況下柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒過程,結(jié)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(shí)保持原機(jī)的動(dòng)力性,改善經(jīng)濟(jì)性。
【關(guān)鍵詞】：柴油機(jī) 油氣快速混合 NO_x排放 燃燒室 噴油嘴
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U664.121.2
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-23
• 主要符號(hào)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(jī)理29-32
• 1.3 降低NO_x排放技術(shù)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(diào)節(jié)40-43
• 1.3.4 缸內(nèi)加水43-49
• 1.3.5 后處理技術(shù)49-51
• 1.3.6 新型燃燒技術(shù)51-58
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容及方法58-60
• 2 快速混合燃燒實(shí)驗(yàn)研究60-82
• 2.1 快速混合燃燒概念提出60-63
• 2.1.1 大導(dǎo)向角燃燒室概念概念提出61
• 2.1.2 小導(dǎo)向角燃燒室概念提出61-62
• 2.1.3 高擾動(dòng)噴油嘴概念62-63
• 2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架與測(cè)試設(shè)備63-66
• 2.2.1 研究對(duì)象63
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架63-64
• 2.2.3 測(cè)試設(shè)備64-65
• 2.2.4 E3循環(huán)測(cè)試工況65-66
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方案66-68
• 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析68-81
• 2.4.1 100%轉(zhuǎn)速、100%負(fù)荷工況結(jié)果分析68-71
• 2.4.2 91%轉(zhuǎn)速、75%負(fù)荷工況結(jié)果分析71-74
• 2.4.3 80%轉(zhuǎn)速、50%負(fù)荷工況結(jié)果分析74-76
• 2.4.4 63%轉(zhuǎn)速、25%負(fù)荷工況結(jié)果分析76-78
• 2.4.5 E3循環(huán)工況整體結(jié)果分析78-81
• 2.5 本章小結(jié)81-82
• 3 Miller循環(huán)模擬與實(shí)驗(yàn)研究82-141
• 3.1 研究對(duì)象與方法82-84
• 3.1.1 研究對(duì)象82
• 3.1.2 研究方法82-84
• 3.2 240柴油機(jī)一維計(jì)算模型建立與驗(yàn)證84-89
• 3.2.1 計(jì)算模型建立84-85
• 3.2.2 子模型選擇85-86
• 3.2.3 計(jì)算模型驗(yàn)證86-88
• 3.2.4 整機(jī)循環(huán)計(jì)算結(jié)果分析88-89
• 3.3 240柴油機(jī)三維計(jì)算模型建立與驗(yàn)證89-100
• 3.3.1 計(jì)算模型建立89-91
• 3.3.2 流體力學(xué)計(jì)算基本控制方程和子模型選擇91-95
• 3.3.3 計(jì)算模型驗(yàn)證95-98
• 3.3.4 缸內(nèi)燃燒與排放計(jì)算結(jié)果分析98-100
• 3.4 Miller循環(huán)模擬研究100-131
• 3.4.1 計(jì)算方案100-102
• 3.4.2 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)燃燒與排放的影響102-113
• 3.4.3 幾何壓縮比對(duì)Miller循環(huán)方案燃燒與排放的影響113-120
• 3.4.4 噴油正時(shí)對(duì)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(jié)果分析127-131
• 3.5 Miller循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究131-140
• 3.5.1 實(shí)驗(yàn)方案131-132
• 3.5.2 不同程度Miller循環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證132-136
• 3.5.3 提高幾何壓縮比Miller循環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證136-140
• 3.6 本章小結(jié)140-141
• 4 滿足IMO TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)內(nèi)凈化NO_x技術(shù)路線研究141-159
• 4.1 EGR技術(shù)模擬研究141-153
• 4.1.1 計(jì)算模型141-142
• 4.1.2 計(jì)算方案142
• 4.1.3 進(jìn)氣壓力恒定的EGR技術(shù)計(jì)算結(jié)果分析142-147
• 4.1.4 進(jìn)氣量恒定的EGR技術(shù)計(jì)算結(jié)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(shù)路線153
• 4.2.2 機(jī)內(nèi)凈化NO_x計(jì)算方案153-154
• 4.2.3 E3循環(huán)工況計(jì)算結(jié)果分析154-158
• 4.3 本章小結(jié)158-159
• 5. 結(jié)論與展望159-162
• 5.1 結(jié)論159-161
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)161
• 5.3 展望161-162
• 參考文獻(xiàn)162-172
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果172-174
• 附錄A 縮寫174-176
• 致謝176-177
• 作者簡(jiǎn)介177

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本文編號(hào)：984388