米勒循环船用高速柴油机工作过程仿真与优化研究

作     者：吴成成 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏胜利

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：船用高速柴油机 米勒循环 两次喷射 燃烧特性 NOx排放 

摘      要：随着国际海事组织和我国环境保护部制定一系列限制NO的排放法规,如何实现船用柴油机NO减排是当前研究的热点。米勒循环技术具有降低NO排放的潜力,还可以降低柴油机工作时的热负荷和机械负荷,在柴油机NO排放控制技术领域具有较好的应用前景。本文以恒定转速船用柴油机作为研究对象,开展了米勒循环对缸内工作过程影响及降低NO排放的优化研究。首先利用BOOST软件建立V型12缸四冲程船用高速柴油机的整机模型,为中高负荷工况下的三维计算流体力学提供准确可靠的初始条件。其次,基于进气门早关米勒循环策略,利用插值法设计了五组不同的进气门升程型线,并利用三维软件AVL-FIRE探究米勒循环对柴油机缸内气体流动、喷雾燃烧和NO生成过程的影响。最后,基于响应面法对两次喷射参数(第一次喷油时刻、第二次喷油时刻及第一次喷油量)进行优化,将优化得到的最优匹配结果结合米勒循环分析对柴油机燃烧和NO排放的影响。主要研究结论如下:在E2测试循环下的100%负荷和75%负荷工况时,保证进气总量不变的条件下,研究进气门早关米勒循环对缸内燃烧过程及NO排放的影响。结果表明:随着进气门的关闭时刻不断提前,即米勒度的增加,压缩上止点压力和温度均降低,缸内平均温度峰值和压力峰值都有不同程度的降低。在100%负荷、米勒度为50时,与原机相比,缸内压力峰值降低了7.9%,缸内平均温度峰值降低了5.4%。这有利于降低柴油机工作时的热负荷和机械负荷,延长发动机寿命。同时,随着燃烧的进行,可燃混合气减少,缸内温度降低,高温区域明显减少,NO生成量和分布区域显著减少。在EIVC50米勒循环时,在100%负荷和75%负荷下,NO生成量降幅达到最大,分别为33.1%和21.4%。此外,随着不断提前关闭进气门,与原机相比,100%负荷时滞燃期的变化和瞬时放热率的变化均不明显,但在75%负荷时,滞燃期明显增加,燃烧瞬时放热率峰值显著增加。在100%负荷工况下,对两次喷射参数进行优化,以第一次喷油时刻、第二次喷油时刻及第一次喷油量为研究因素,以缸内爆发压力和NO最终生成量为响应值,利用响应面法进行优化分析,并在此基础上分析上述因素对柴油机燃烧和排放特性的影响。结果表明:以较好的缸内爆发压力和最低的NO排放为优化目标,最终得到最优两次喷射策略为:第一次喷油时刻为35°CA BTDC,第二次喷油时刻为10°CA BTDC,第一次喷油量为每循环总喷油量的10%。随着第一次喷油时刻推迟,滞燃期延长,缸内燃烧温度和压力都有所降低,NO生成量减少。但与第二次喷油时刻对缸内温度和压力的影响,其峰值显著降低,NO的生成量也明显减少。第二次喷油时刻对缸内喷雾燃烧过程和NO生成量的影响更大,为避免最终生成较多的NO,不宜过早进行第二次燃油喷射。同时,第一次喷油量对燃烧和排放的影响也很重要。为避免发动机工作时承载较大的机械负荷和热负荷以及减少NO的排放,应选取适当的第一次喷油量。最后,将优化后的两次喷射策略结合EIVC50米勒循环,发现缸内燃烧温度和压力峰值均有所降低,放热率峰值显著增加,燃烧更加集中,燃烧效率提高。NO最终生成量与原机相比减少了48.32%。