船用大功率中高速柴油机排放控制策略计算研究

摘要

目前，船舶柴油机排放的氮氧化物已经成为港口区域的主要污染物。为此，国际海事组织制定了严格的排放法规。柴油机动力舰船采用机外措施受到安装空间以及需要携带化学试剂等原因的限制。采用废气再循环、优化喷油策略等机内措施可能是其达到排放法规要求的有效手段。
　　本文基于某型现役舰用柴油机，应用GT-POWER软件，建立了该柴油机的仿真模型，并与试验数据进行对比，验证了模型的准确性。在此基础上，建立了该柴油机的高压EGR系统仿真模型。仿真结果表明，该柴油机在不同工况下，其NOx原始排放值不同，达到IMO TierⅡ限值所对应的EGR率也不同。针对75％工况和100%工况时压气机稳态运行点已接近喘振线，其NOx排放尚不满足 TierⅡ限值的实际，采用了进气旁通加以改进。改进后，压气机运行点远离了喘振线并运行在高效区，EGR率进一步增大，NOx排放能够满足TierⅡ限值。采用本文的方案，该柴油机在NOx排放满足TierⅡ要求的同时，各工况的功率下降不超过3.8%，油耗增加不超过3.8%，能够满足使用要求。
　　为了研究废气再循环对缸内燃烧过程和氮氧化物生成的影响，本文使用FIRE软件建立了缸内燃烧三维模型，并使用GT-POWER仿真结果作为模型的初始条件，分析了100%工况下EGR对缸内主要参数和NOx生成的影响。
　　改变喷油策略是降低氮氧化物排放的另一种有效手段。本文设计了不同的预喷射和后喷射方案，并使用FIRE软件进行了计算。计算结果表明，较小的预喷量有利于NOx排放的降低；合适的后喷量和后喷间隔能使 NOx和碳烟排放同时达到较好的效果。EGR+后喷能够显著改善NOx和碳烟排放此消彼长的关系。
　　然而，预喷射和后喷射的实现需要使用先进的电控燃油喷射系统。为了降低改造的难度和复杂性，本文在不更换原机燃油系统的条件下，分析了晚喷及EGR+晚喷对该柴油机性能和排放的影响。研究表明，采用晚喷可以降低 NOx排放；采用 EGR+晚喷可以在EGR引入出现困难的情况下，进一步降低NOx排放，为满足更严格的TierⅢ排放限制进行技术储备。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 船舶柴油机降低NOx排放的技术措施

1.3 废气再循环技术和多次喷射技术

1.4 本文研究的目的和主要内容

第2章 船舶柴油机工作过程数学模型

2.1 缸内工作过程数学模型

2.2 缸内工作过程计算的边界条件

2.3 进排气系统计算模型

2.4 废气涡轮增压器计算模型

2.5 本章小结

第3章 高压EGR柴油机工作过程研究

3.1 柴油机模型的建立及验证

3.2 高压EGR柴油机的稳态计算

3.3 改善高压EGR柴油机运行工况的技术措施

3.4 本章小结

第4章 柴油机缸内燃烧三维仿真

4.1 缸内燃烧模拟的数学模型

4.2 缸内燃烧仿真模型的建立与验证

4.3 EGR对燃烧与排放的影响

4.4 本章小结

第5章 喷油规律对柴油机性能与排放的影响

5.1 预喷射对柴油机性能与排放的影响

5.2 后喷射对柴油机性能与排放的影响

5.3 EGR+后喷射对柴油机性能与排放的影响

5.4 本章小结

第6章 EGR+晚喷对柴油机性能与排放的影响

6.1 晚喷对柴油机性能与排放的影响

6.2 EGR+晚喷对柴油机性能与排放的影响

6.3 本章小结

结论

参考文献

致谢