双燃料柴油机燃烧及排放的数值研究

作     者：周展鹏 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王红

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：燃烧 排放物生成 柴油机 数值模拟 双燃料 

摘      要：随着化石燃料的过度开采使用和日益严苛排放法规的出台,柴油机的节能减排问题日益受到研究者们的重视。柴油机的节能减排研究可分为对传统柴油机进行改进研究和在传统柴油机上引入新的替代燃料等方式。近年来,越来越多的研究者对柴油机双燃料燃烧与排放展开研究。本文即基于甲醇双燃料柴油机对燃烧及排放展开数值研究。本文首先利用计算流体力学软件Fluent对某型号船用低速柴油机全循环过程进行了数值模拟研究,将仿真计算得到的缸压、温度等数据与实验数据比对证明了模拟的可靠性与准确性;在柴油机计算模型建立的基础上,本文对双燃料非对称喷射与对称喷射对燃烧及排放的影响展开了研究。在对柴油机全循环工作过程进行模拟时,进行了模型建立及调整、网格划分等工作,然后在Fluent中对数值模型、动网格、全循环自动控制等方面进行了设置。将模拟结果与实验数据进行比对,数据吻合较好,误差在允许范围内,对氧气和二氧化碳质量全循环变化情况进行了分析;体现了全循环模拟的可靠性。甲醇、柴油双燃料非对称喷射研究结果表明,1.6倍甲醇方案缸压曲线与原柴油机最为接近;甲醇的引入能够有效降低NO排放量,但甲醇喷射量过多会导致Soot和CO排放量反而比原柴油机多。不同甲醇与柴油喷嘴数匹配下,缸压曲线随着甲醇喷嘴数增加不断下降,纯柴油方案温度曲线最高,纯甲醇方案温度曲线最低;甲醇喷嘴数的增多对于柴油燃烧有利但是会使甲醇全部燃烧所需时间变长。随着甲醇喷嘴数的增多,Soot和CO的排放量均会减少;一个喷嘴喷柴油、两个喷嘴喷甲醇的方案NO排放量比纯柴油方案略高,其余两个双燃料方案NO排放量均低于纯柴油方案。对称喷射首先研究了喷嘴相对位置对燃烧及排放的影响,甲醇喷嘴在上侧的方案相比柴油喷嘴在上侧的方案对燃烧更有利,缸压、缸内最高平均温度都要高,Soot和CO排放量很少,但NO排放量有所增加。喷嘴上下间距越大,对燃烧促进作用越明显,NO生成量越多;但喷嘴间距对Soot、CO稳定生成量影响很小。基于甲醇喷嘴在上侧且与柴油喷嘴间隔3cm的方案进一步研究了甲醇含水量的影响,结果表明甲醇加水能降低缸内温度,但是也会使得缸压曲线降低;排放方面,甲醇含水量的提高会使得NO、Soot和CO排放量出现不同程度的减少,Soot和CO最大生成量也不断减少。