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低速二冲程船用柴油机高效清洁燃烧技术仿真研究

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低速二冲程船用柴油机高效清洁燃烧技术仿真研究

作者：贾亢天津大学

学位级别：硕士

低速二冲程柴油机具有功率大、可靠性高等优势,一直是海洋船舶运输的主要动力源。受环境问题的制约,国际海事组织IMO规定从2016年开始在排放控制区(ECA)内实施TierⅢ标准,该标准关于NO排放限值相比于TierⅡ标准降低约75%,对燃烧技术提... 详细信息

低速二冲程柴油机具有功率大、可靠性高等优势,一直是海洋船舶运输的主要动力源。受环境问题的制约,国际海事组织IMO规定从2016年开始在排放控制区(ECA)内实施TierⅢ标准,该标准关于NO排放限值相比于TierⅡ标准降低约75%,对燃烧技术提出了严峻挑战。本文对某二冲程船用柴油机进行了系统的仿真研究,探讨了实现TierⅢ标准的技术路线,对新一代自主低速船用柴油机的研发具有一定的理论指导意义和工程应用价值。首先,使用GT-POWER软件建立了二冲程柴油机一维仿真模型,并采用多目标综合寻优的方法对其燃烧模型参数进行了标定。在此基础上,研究了通过废气再循环(EGR)、米勒循环和进气加湿等措施实现TierⅢ标准的可行性,并进一步探讨了EGR和米勒循环、进气加湿、优化喷油正时共同使用实现TierⅢ标准燃烧技术方案。结果表明,EGR是降低低速二冲程柴油机NO排放的最有效措施,单独采用EGR可实现TierⅢ标准;单独采用米勒循环或进气加湿措施均难以满足TierⅢ标准;米勒循环结合进气加湿虽然能使NO排放达标,但会造成燃油消耗率大幅增加,并不能作为实现TierⅢ标准的可行技术路线。同时采用多种措施的结果表明,EGR和进气加湿、米勒循环共同使用,并通过优化喷油正时,不仅可以实现TierⅢ标准,而且可以改善NO和BSFC的trade-off关系。另一方面,米勒循环和进气加湿的使用也能减少EGR的使用率,因此可作为实现Tier III排放标准的推荐技术路线。

关键词：二冲程船用柴油机 Tier Ⅲ标准 NOx排放废气再循环一维仿真

大缸径低速二冲程船用柴油机燃烧过程数值模拟研究

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大缸径低速二冲程船用柴油机燃烧过程数值模拟研究

作者：杨坤天津大学

学位级别：硕士

低速二冲程船用柴油机具有经济性好、可靠性高、可使用劣质燃料等优点,被广泛应用于大型船舶主机。针对国际海事组织第三阶段排放限制,满足Tier Ⅲ排放法规对我国船用柴油机是一个严峻挑战。因此,从油和气两大方面优化燃烧过程,揭示柴... 详细信息

低速二冲程船用柴油机具有经济性好、可靠性高、可使用劣质燃料等优点,被广泛应用于大型船舶主机。针对国际海事组织第三阶段排放限制,满足Tier Ⅲ排放法规对我国船用柴油机是一个严峻挑战。因此,从油和气两大方面优化燃烧过程,揭示柴油机缸内油气混合规律,最终实现高效清洁燃烧显得更为迫切,相关结果对我国新一代低速二冲程船用柴油机的自主研发有一定的理论指导意义。本文基于CFD数值模拟软件搭建了某低速二冲程船用柴油机三维仿真平台,探究了瞬态工况下扫气口结构(水平倾角)、燃烧室形状、EGR、米勒循环、喷油角度、分段喷射策略(预喷油量、预—主喷间隔、三次喷射)等技术对低速柴油机缸内油气混合、燃烧及排放过程的影响规律,并综合多因素深入探讨了满足Tier Ⅲ排放标准的可行技术路线。研究发现随着扫气口水平倾角增大,扫气效率呈先增大后降低的变化趋势,在水平倾角α=13(?)时扫气效率达到最大(92.64%),扫气口水平倾角过大则会影响废气与新鲜充量的掺混,使得扫气性能变差;采用深坑型和凹坑型燃烧室结构,缸内涡流比显著高于浅ω型燃烧室,但采用凹坑型结构时混合气浓区集中在气缸壁面附近,深坑型燃烧室结构会出现混合气过浓区域,浅ω型燃烧室结构混合气分布较均匀。喷油角度直接决定缸内混合气形成过程,喷油角度过小会导致气缸中心油束重叠从而形成浓混合气区,缸内空气利用率降低,角度过大会导致喷雾油束和火焰撞壁,缸壁散热损失增加,而适中的喷油角度(20(?))则有利于提升功率,降低油耗。研究发现高强度米勒循环会导致柴油机压力明显下降,缸内放热率峰值明显后移,燃烧放热持续期增加且后燃比例增大,采用M5时NO生成量相比原机下降24.28%,ISFC增加3.66%;在此基础上耦合分段喷射技术后可以缩短燃烧持续期,燃烧重心更加接近上止点,提高了柴油机的动力性,但此技术路线无法使NO排放满足Tier Ⅲ排放法规。采用30%EGR可满足Tier Ⅲ排放标准,但油耗会发生明显恶化,通过协同优化多次喷射与喷油角度(30%EGR+10%预喷量+Δt=15(?)+20(?)喷油角度可使NO降低65.5%,油耗仅增加1.24%),是满足Tier Ⅲ排放法规合理的技术路线;进一步采用三次喷射技术可改善油耗与NO排放之间的折中关系(采用α=20(?),m=5%,t=22(?),m=10%,t=15(?)进一步降低0.41%)。

关键词：二冲程船用柴油机 Tier Ⅲ排放标准油气混合分段喷射技术数值模拟

船用二冲程柴油机鼓风机扫气模型与切换规律研究

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内燃机工程 2012年第5期33卷 31-35,40页

作者：石磊丰琳琳周涌明邓康耀上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室上海200240 泛亚汽车技术中心有限公司上海201201 沪东重机股份有限公司上海200129

针对船用7K90MC-C低速二冲程柴油机进行了鼓风机匹配和切换规律的研究。建立了二冲程柴油机与鼓风机仿真模型,着重研究了扫气模型的选取。通过试验校核,验证了计算结果的正确性。对2台鼓风机全开时切换规律的研究表明:柴油机负荷增加时... 详细信息

针对船用7K90MC-C低速二冲程柴油机进行了鼓风机匹配和切换规律的研究。建立了二冲程柴油机与鼓风机仿真模型,着重研究了扫气模型的选取。通过试验校核,验证了计算结果的正确性。对2台鼓风机全开时切换规律的研究表明:柴油机负荷增加时鼓风机应在41%负荷左右关闭,柴油机负荷降低时鼓风机应在35%负荷左右打开,可以保证控制扫气量和热负荷的需要。

关键词：内燃机二冲程船用柴油机增压系统鼓风机扫气模型

低速船用二冲程柴油机扫气过程的数值模拟研究

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低速船用二冲程柴油机扫气过程的数值模拟研究

作者：曹忠烨天津大学

学位级别：硕士

优化船用低速二冲程柴油机的扫气过程对于改进其性能,降低排放具有重要的意义。本文针对某低速船用二冲程柴油机,对其扫气过程开展了数值模拟研究,对新一代低速船用柴油机的研发有一定的理论指导意义和工程应用价值。首先,本文使用三维... 详细信息

优化船用低速二冲程柴油机的扫气过程对于改进其性能,降低排放具有重要的意义。本文针对某低速船用二冲程柴油机,对其扫气过程开展了数值模拟研究,对新一代低速船用柴油机的研发有一定的理论指导意义和工程应用价值。首先,本文使用三维数值模拟软件CONVERGE建立了该船用柴油机的三维数值模拟模型,并进行了网格适应性分析和标定工作。在此基础上,研究了扫气口结构和排气系统对于缸内流动特性和扫气性能的影响规律。结果显示,扫气口水平倾角会显著影响缸内涡流比大小、切向速度场和轴向速度场的分布形态,对于单一水平倾角的扫气口,水平倾角过大或过小都不利于扫气效率的提升。为了实现对扫气过程的进一步优化,本文提出了一种复合式扫气口结构。相比单一水平倾角的扫气口,复合式扫气口具有更好的扫气效率和充气系数,同时其涡心位置更靠近气缸中心。此外,将扫气口整体倾斜可以降低缸内涡流比峰值,在小角度倾斜时,会提升扫气性能参数,但整体倾斜角度过大会导致扫气性能变差。对排气阀开关相位和排气阀结构的研究表明:调整排气阀开启时刻和关闭时刻对扫气性能、压缩上止点温度、压力有很大影响,从而影响该机的输出功率和NOx排放,而排气阀直径对扫气过程的影响主要体现在缸内流动特性方面,对扫气性能的影响较小。

关键词：二冲程船用柴油机扫气过程扫气口设计缸内流动数值模拟

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扫气口角度和涡流比对船用柴油机性能的影响

内燃机与动力装置 2023年第6期40卷 1-9,51页

作者：刘梦雨鲁祯朱峰卢天龙中国船舶重工集团公司第七一一研究所上海201108 天津大学机械工程学院天津300350

利用Converge软件建立某大缸径低速二冲程船用柴油机的三维数值仿真模型,仿真研究扫气口水平倾角对柴油机性能的影响,并解耦涡流比的单独影响机理。结果表明:扫气口水平倾角过大或过小均导致缸内产生回流区及新鲜空气过早溢出,降低扫气... 详细信息

利用Converge软件建立某大缸径低速二冲程船用柴油机的三维数值仿真模型,仿真研究扫气口水平倾角对柴油机性能的影响,并解耦涡流比的单独影响机理。结果表明:扫气口水平倾角过大或过小均导致缸内产生回流区及新鲜空气过早溢出,降低扫气效率;与原机水平倾角为15°时相比,当扫气口水平倾角为10°时,有效燃油消耗率和NO_(x)排放均降低;在合理范围内增大涡流比可有效改善油气混合均匀性和燃烧过程;与原机涡流比为4.5时相比,涡流比为20.5时燃油消耗率降低5.09%,燃油经济性明显改善;但涡流比过大对燃油消耗率的改善较小,同时导致壁面传热损失较大,因此涡流比应控制在20.5以下。

关键词：二冲程船用柴油机扫气口角度涡流比燃烧排放

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进气组分对低速船机NO_x排放的影响

燃烧科学与技术 2017年第4期23卷 313-319页

作者：刘海峰张慧祥王浒邹宪天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072

使用多维数值模拟方法,研究了采用废气再循环、进气加湿耦合喷油策略改善低速二冲程船机NO_x-ISFC(指示燃油消耗率)折衷关系的潜力.研究表明,EGR的稀释效应和热效应是降低缸内燃烧温度的主要原因,但稀释效应使得氧浓度降低,从而使得燃... 详细信息

使用多维数值模拟方法,研究了采用废气再循环、进气加湿耦合喷油策略改善低速二冲程船机NO_x-ISFC(指示燃油消耗率)折衷关系的潜力.研究表明,EGR的稀释效应和热效应是降低缸内燃烧温度的主要原因,但稀释效应使得氧浓度降低,从而使得燃烧速率降低,燃烧持续期加长,导致油耗恶化;进气加湿引入量小,因而稀释效应的作用较小,大比例加湿的热效应作用较强是降低缸内燃烧温度的主要原因,而且少量的进气加湿对缸内燃烧过程和油耗影响较小.结果表明,EGR率为30%,,进气加湿量与喷油量的比值为1.5,喷油时刻为上止点后1°,CA,可在略微牺牲经济性的前提下,将NO_x降低90.5%,,满足TierⅢ排放法规的要求.

关键词：二冲程船用柴油机 NOx排放废气再循环进气加湿喷油时刻

基于ORC的船用柴油机低品位余热利用方案设计与优化研究

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基于ORC的船用柴油机低品位余热利用方案设计与优化研究

作者：黄桂聪广西大学

学位级别：硕士

日益严峻的能源短缺和环境污染问题严重制约了人类社会的可持续发展,提高能源利用效率和降低排放已成为我国迫切需要解决的问题。内燃机作为工业生产和交通运输中应用最广泛的机械,消耗的化石燃料和燃料燃烧不充分排出的有害气体占了我... 详细信息

日益严峻的能源短缺和环境污染问题严重制约了人类社会的可持续发展,提高能源利用效率和降低排放已成为我国迫切需要解决的问题。内燃机作为工业生产和交通运输中应用最广泛的机械,消耗的化石燃料和燃料燃烧不充分排出的有害气体占了我国能源消耗和环境排放的很大比重。因此,使用内燃机余热回收技术提高内燃机对燃料的利用率,是节约能源消耗和减少排放的重要手段。鉴于当前研究存在低温余热利用的领域的研究不够全面,缺乏余热回收装置的环境影响的评估,较少利用内燃机内部除排气外的其他余热源等问题,本文将以余热源温度低于300℃的大型二冲程船舶柴油机为研究对象,开展内燃机余热回收系统的研究。为了建立性能优异的内燃机余热回收系统,本文首先分析了船舶柴油机内的余热能分布情况,探究了发动机内部各余热源的能流和（火用）流,并确定了排气的主要成分和酸露点温度,为后续研究提供数据基础。其次,建立回收低温余热效果最佳的有机朗肯循环的数学模型,并采用热力性、经济性和环境性三种指标综合评价余热回收系统。通过对不同循环布局方式、不同循环工质的性能进行对比研究,找出最合适的循环布局和工质。在确定了布局方式和循环工质后,使用灵敏度分析找出影响余热回收系统性能的主要参数,并使用多目标优化算法进行优化设计。最后,在前述研究分析的基础上,使用非共沸循环工质对的有机朗肯循环与其他低温余热利用技术结合,提出了一种新型的多热源余热回收系统,并对系统参数进行优化。研究结果表明,在热源温度为260℃以下时使用高低压有机朗肯循环布局的性能最佳。使用纯工质时环戊烷为综合性能评分最高的工质,而使用混合工质时,碳酸二甲酯与R245fa的混合工质对为综合性能评分最佳的工质对。比起未使用余热回收系统的发动机,使用新型多热源余热回收系统的发动机的热效率在70%负荷下提高约4.2%。比起仅使用单一的高低压有机朗肯循环回收余热,新型多热源余热回收系统的净输出功增加了约8%,（火用）效率提高约5.7%,单位净功的环境影响率降低约5.8%。

关键词：二冲程船用柴油机余热回收高低压有机朗肯循环多热源利用多目标优化

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船用柴油机参数采集与分析系统开发

天津航海 2021年第3期 33-35页

作者：范宝龙张德福马祥新徐大伟天津理工大学海运学院天津300384 中海油能源发展有限公司机加工分公司天津300000

文章以二冲程直流扫气船用柴油机作为研究对象,在分析试验台功能需求的前提下,采用可视化编程语言,完成了船用柴油机参数采集与分析系统的开发设计。该系统能够实现气缸压力信号采集,预处理(滤波,均值,光顺),示功图实时显示以及数据回... 详细信息

文章以二冲程直流扫气船用柴油机作为研究对象,在分析试验台功能需求的前提下,采用可视化编程语言,完成了船用柴油机参数采集与分析系统的开发设计。该系统能够实现气缸压力信号采集,预处理(滤波,均值,光顺),示功图实时显示以及数据回放等功能。此外,还可显示转速、扭矩、扫气温度、扫气压力、各缸排气温度和涡轮前后温度等常规运行参数以及发动机运行状态。台架测试表明,所开发软件界面友好,工作可靠,能够满足船用柴油机台架试验的需要。

关键词：二冲程船用柴油机直流扫气示功图参数采集