采用缸内净化满足船用柴油机TierⅡ、TierⅢ法规的数值模拟研究

摘要

随着近年来的环境污染问题，人们对环境保护的不断重视，国际上对船用发动机排放法规要求越来越严格，2016年已经在排放控制区域实施的Tier Ⅲ排放法规对排放控制技术提出了更加严苛的要求。本文采用三维数值模拟的方法，系统的开展了满足TierⅡ、Tier Ⅲ排放法规的缸内净化技术研究，探索满足法规的优化方案。
　　本文首先在CONVERGE建立了定容燃烧弹模型，对多组分重油的喷雾破碎KH-RT模型进行验证，并给出了模型推荐参数。基于所验证的喷雾模型，本文进一步开展了喷油系统优化，综合考虑经济性、排放特性和喷孔加工的难易程度，选择方案2（喷孔数为4，孔径为0.875 mm）为优化喷孔方案；并以此为基础开展了顺序喷射、预喷和后喷等喷油策略的优化研究，探索不同排放控制区域的优化燃油喷射策略。结果显示，无论使用轻油还是重油，合适的顺序喷射间隔、预喷油量和主预喷间隔以及后喷油量和主后喷间隔都具有同时改善燃油经济性和NOx排放的潜力；大比例预喷匹配合适的主预喷间隔容易获得较低的燃油消耗率，小比例预喷匹配合适的主预喷间隔容易获得较低的NOx排放；后喷策略对燃油消耗率改善不明显。顺序喷射结合预喷的燃油喷射方案能进一步NOx排放，但降低幅度不明显，同时对燃油消耗率有负面影响。
　　基于上述喷油系统优化的结果，本文结合推迟喷油、气门策略、EGR策略探索满足TierⅡ、Tier Ⅲ法规的优化方案。结果显示，推迟喷油、排气门早关（E-EVC）和排气门晚关（L-EVC）这三种策略都能满足TierⅡ排放法规的要求；采用推迟喷油对燃油消耗率影响较大，排气门早关策略能够明显改善燃油消耗率，但受到爆发压力过高的限制；排气门晚关策略同样可以降低燃油消耗率，但会增加对增压器的依赖性；在EGR率引入能力范围内，采用较大的EGR率匹配合适的喷油正时能在满足Tier Ⅲ排放法规的同时改善燃油消耗率；采用气门策略结合EGR能够在不恶化燃油消耗率的基础上降低对外部EGR的依赖度。
　　综上，本研究成功开发了基于可变气门、喷油策略和EGR的满足TierⅡ、Tier Ⅲ排放法规的缸内净化技术路线，这对实现低速船机高效清洁燃烧具有重要的指导价值，对相关新机型的开发也具有较强的工程指导价值。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 低速二冲程船用柴油机及其发展

1.2 船用柴油机排放法规的发展及排放控制技术

1.3 船用柴油机研究现状

1.4 本课题主要研究内容

第二章 研究方法和计算模型

2.1 数值模型简介

2.2 多组分重油喷雾破碎模型验证

2.3 船用柴油机模型验证

2.4 小结

第三章 喷油系统优化的数值模拟研究

3.1 喷孔参数优化

3.2 喷油策略优化

3.3 本章小结

第四章 满足Tier II、Tier III缸内净化技术

4.1 满足Tier II的缸内净化技术

4.2 满足Tier III的缸内净化技术

4.3 本章小结

第五章 全文总结及展望

5.1 全文总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢