船用LNG发动机掺烧模拟废气-燃料重整气缸内燃烧过程仿真

为研究废气燃料重整再循环技术(REGR)对船用LNG发动机性能的影响,搭建试验台架,进行性能测试;运用AVL-fire软件建立发动机燃烧室仿真模型,并依据试验数据验证仿真模型的准确性。基于该模型进行各负荷下不同废气再循环系统(EGR)率及在确定的EGR率下掺烧不同比例模拟重整气的仿真计算,并以75%负荷下的工况为例进行详细分析。计算结果表明,随着EGR率的升高,缸内平均压力和平均温度的峰值下降,燃烧过程整体后移,燃烧持续期增加,发动机的指示功率和NO比排放下降,指示燃油消耗率增加;掺混重整气比例增加,缸内平均压力和温度峰值升高,燃烧持续期缩短,指示功率和NO比排放升高,在重整气掺混率升高到一定程度时,指示燃油消耗率明显下降。综合分析发现,使用REGR技术可在不牺牲发动机的动力性和经济性的前提下降低液化天然气(LNG)发动机的NO比排放。     

船用LNG发动机废气重整再循环控制系统设计分析

为减少船用LNG发动机中的NO_x排放,基于CAN总线设计一种废气-燃料重整再循环(REGR)控制系统,根据REGR系统工作特性与控制功能需求,确定系统硬件选型与控制方案,选用瑞萨MCU设计REGR控制器并集成相应的软件策略,在玉柴YC6MK200NL-C20船用LNG发动机上进行了REGR控制系统与发动机性能测试试验,结果表明,该控制系统可以较好地满足功能需求,能根据发动机运行工况实时调节废气重整再循环率与重整燃料供给量,改善发动机燃烧过程与排放特性,使得LNG发动机排放达到IMO Tier III标准。     

不同喷油正时对双燃料发动机燃烧性能的影响

为了研究双燃料发动机缸内燃烧情况及其排放特性,本文以4135ACa型高速柴油机为基础研究对象,利用商用CFD软件FIRE对其进行一定燃气工况下的数值计算,通过导入CHEMKIN所构建的化学动力学机理与喷雾破碎、湍流流动等基础模型相结合,构建了发动机的三维工作过程,并分析了不同喷油策略对该工况下发动机燃烧及排放的影响。结果表明随着喷油提前角的减小,燃烧放热规律整体后移,缸内爆发压力与温度随喷油提前角减小而减小,但是瞬时放热率均大于纯柴油。在喷油提前角为4℃A BTDC时,缸内爆发压力接近纯柴油状态,NOx排放量与纯柴油工况相近,当喷油提前角为2℃A BTDC时,NOx排放满足要求,但缸内平均温度仍比纯柴油模式要高。     

缸内液喷LNG/柴油双燃料发动机燃烧特性

以L 21/31船用中速柴油机为原型,在不改变燃烧室结构的基础上将其改装成缸内液喷LNG/柴油双燃料发动机,利用AVL_FIRE软件展开三维数值模拟,研究此双燃料发动机的LNG替代率极限以及高替代率时的缸内燃烧及排放性能。研究结果表明：改装后双燃料发动机的LNG替代率极限为99.5%,当替代率大于99.5%时,LNG无法被引燃;在可以正常燃烧条件下,保持引燃柴油及液化天然气喷射正时和喷射时间间隔不变,随着液化天然气替代率的增加,液化天然气燃烧始点基本不变,缸内最大爆发压力和最高燃烧温度降低,NO、CO生成量和排放量降低。     

缸内液喷LNG/柴油双燃料发动机燃烧特性

以L21/31船用中速柴油机为原型,在不改变燃烧室结构的基础上,将其改装成缸内液喷LNG/柴油双燃料发动机,利用AVL_FIRE软件展开三维数值模拟,研究此双燃料发动机的LNG替代率极限及高替代率时的缸内燃烧及排放性能。研究结果表明:改装后双燃料发动机LNG替代率极限为99.5%,当替代率大于99.5%时,LNG无法被引燃;在正常燃烧条件下,保持引燃柴油及液化天然气喷射正时和喷射时间间隔不变,随着液化天然气替代率的增加,液化天然气燃烧始点基本不变,缸内最大爆发压力和最高燃烧温度降低,进而降低NO、CO的生成量和排放量。     

喷油提前角及孔径对二甲醚/柴油发动机性能的影响

为了研究二甲醚/柴油双燃料发动机在不同喷油提前角及喷孔直径下的缸内燃烧特性和排放性能影响，以电控改造后4190Z_LC-2型中速柴油机为试验平台，建立仿真模型，并验证其准确性。结果表明：喷油提前角从16.6°CA BTDC增加到22.6°CA BTDC，缸内压力和温度曲线增大，放热率前移，但其峰值有所下降。通过缸内速度场和温度场云图可知，速度场分布规律与缸内压力和温度曲线相同，温度场升高速率提升，油气混合更为充分，提高了发动机动力性，同时NO排放显著增加，CO排放无明显变化，CH₂O排放略有降低。随着喷油孔直径减小，油束形成更为细小液滴，蒸发雾化过程速率加快，喷入缸内气体混合更加充分，燃烧更旺盛，缸内爆发压力和最高温度都呈上升趋势。缸内湍流动能增大，提升混合气体的质量。缸内温度小幅上升，soot排放得到抑制，NO排放略有增加，指示油耗率出现先减少后增加趋势，指示功率则是先增加后减少。该研究对DME/柴油发动机性能研究提供理论基础。     

喷油正时对柴油机燃烧和排放性能影响的试验分析

试验分析喷油正时对柴油机燃烧及排放特性的影响规律。分析表明:喷油正时对柴油机燃烧和排放性能有着显著影响,随着喷油正时提前,缸内燃烧压力升高,压力升高率峰值增大,燃烧放热率峰值增大、燃烧始点提前,缸内燃烧温度升高;NOx排放随喷油正时提前明显升高,说明喷油正时滞后是降低柴油机NOx排放的有效措施。试验结果可为柴油机电控参数标定提供参考。     

基于CFD某增压柴油机不同海拔下的燃烧机理分析

在验证平原下某增压柴油机计算模型基础上,对某增压柴油机在海拔2900 m和海拔4250 m条件下缸内工作过程进行了三维数值计算．计算结果表明：与平原相比,随着海拔的升高,放热率峰值下降但放热率重心前移,缸内温度迅速升高,缸内最高温度分别上升309和357 K;缸内最高燃烧压力分别下降4.9和5.53 MPa;NOx 出现时间随海拔上升而稍微提前,NOx 排放量随海拔的上升而下降．研究结果为优化高原增压柴油机的性能提供了参考．     

船用LNG动力发动机部分关键技术

为研究国内外液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)动力发动机的技术差异,列表总结国内外LNG发动机的技术现状,并对空燃比、动态特性及点火技术等因素对其动力性、经济性和尾气排放的影响进行分析。结果表明:影响NO_x生成的主要因素有工作循环方式、空燃比、引燃油量和负荷等;提高空燃比可改善发动机的热效率及NO_x排放,但会影响其动力性和THC排放;点火技术影响空燃比,点火能量升高或柴油微引燃可拓宽稀燃界限,且点火或喷油提前角增加,缸内最高压力、温度和NO_x排放增加,THC和CO减小;采用可变截面涡轮增压技术可改善发动机的动态响应、经济性和尾气排放;双燃料模式与纯柴油模式相比,HC和CO排放增加,NO_x和PM排放减少。     

掺烧乙醇/水对柴油机燃烧与排放性能的影响

针对TBD234V6型柴油机,采用AVL-fire软件对额定工况下,不同乙醇/水掺混比进行三维数值模拟研究,对比分析缸内压力、缸内温度、缸内温度场、燃烧放热率、NOx浓度、NOx浓度场、Soot浓度、Soot浓度场,并通过赋权法确定最优乙醇/水掺混比。结果表明：随着乙醇/水掺混比的增加,缸内压力逐渐升高,燃烧放热率滞后,燃油消耗率呈上升趋势,但在0E10W时,最高燃烧压力下降率约为3.7%;燃油消耗率下降0.38%;缸内高温分布区域缩小,NOx和Soot浓度下降。通过计算确定最优掺混比为20E10W,此时,最高燃烧压力提升5.6%,燃油消耗率上升2.41%,NOx排放下降率约为18.8%,Soot排放下降率约为29.6%。研究结果可为船用柴油机采用柴油/乙醇/水三燃料燃烧提供一定的指导依据。     

排气阀晚关对大型二冲程低速船机的影响

为了探究排气阀晚关对低速船机的详细影响机制,针对一大型二冲程低速船机建立了三维仿真模型并进行了实验验证,在此基础上仿真研究了排气阀晚关对缸内气流、燃烧过程及低速机性能的影响规律和机制。结果表明：随排气阀晚关角度的增加,燃油喷射后的缸内涡流比缓慢增加,着火滞燃期逐渐延长,最高燃烧压力先大幅降低后小幅上升,指示比油耗先大幅增加后小幅减小,NOx比排放先大幅下降后急剧上升。存在一排气阀晚关角度的临界值,当超出该临界值后,排气阀晚关能够明显增强燃料与空气的混合强度,促进缸内燃烧过程,但NOx比排放会急剧增加。     

部分预混耦合EGR对天然气直喷发动机的影响

以一台四冲程高压直喷天然气发动机为研究对象,模拟研究了5种天然气预喷量耦合5种废气再循环（EGR）率对部分预喷天然气发动机的燃烧和排放特性的影响。结果表明,相比于高压直喷模式,部分预喷模式有着更高的缸内峰值压力、峰值热释放率和最大压力升高率。预喷比例的增加会提前发动机燃烧相位、缩短燃烧持续期,进而降低发动机的指示燃料消耗率,但是EGR的加入会削弱这种效果。较高的预喷量耦合中等比例EGR能够削弱NOx-soot的“trade-off”关系;30%EGR率耦合40%预喷量能够使发动机具有较低的指示燃油消耗率,产生较低的甲烷、未燃HC和CO排放,以及优于非预喷方案的NOx和soot排放特性。     

喷油策略对大缸径双燃料发动机燃烧和排放的影响

为改善大缸径双燃料发动机的动力性,提高经济性并降低排放,以1台6缸多点进气的柴油/天然气双燃料发动机为研究对象,分析不同引燃油量和喷油正时对缸内燃烧、替代率以及排放的影响.研究结果表明,增加引燃油量和喷油提前角可以较大幅度降低CH4和CO的排放,HC排放的下降幅度较小,在不发生缸内爆震的情况下,引燃油量的减少不会影响爆压的变化和NOx的排放;相比于改变引燃油量,改变提前角对缸内燃烧和替代率的影响更大,喷油提前角增大1℃A,循环供油量平均减小0.19g/cyc,替代率平均增大2.5％;在全工况范围内,最佳喷油正时随着负荷的升高而减小,随转速升高而增大.通过优化喷油正时和引燃油量得出全工况各点的最高替代率,最高达到94.2％,提升了燃油经济性.研究结果可为大缸径双燃料发动机的开发提供依据.     

燃油喷射对柴油机燃烧及排放的影响

针对4190柴油机燃油系统电控化改造项目,应用AVL_FIRE三维CFD软件平台,建立该机缸内高压循环仿真模型,通过台架试验获得缸压曲线验证仿真计算的正确性。借助模型研究燃油喷射系统参数对燃烧、NOX和碳烟颗粒生成等的影响。结果表明:随着喷孔锥角的增大,缸内最大温度与压力逐渐增大,采用小喷孔锥角时,NOx排放浓度低,但碳烟排放浓度较高;喷油器喷孔直径增大,缸内压力与温度逐渐增大,采用0.30 mm喷孔直径时,NOx和碳烟的排放浓度均较低;喷油提前角增加导致缸内温度增大,NOx排放浓度增加,碳烟排放浓度降低。     

柴油引燃缸内直喷天然气发动机燃烧和排放特性研究

为研究天然气和柴油喷射时刻对双燃料发动机的燃烧特性的影响,通过AVL-FIRE软件,以固定喷射间隔下的不同喷射时刻为研究变量,对其进行仿真研究。研究结果表明:随着天然气喷射时刻的推迟,缸内平均压力和温度的峰值逐渐降低,减小了发动机的机械负荷和热负荷;天然气于上止点时刻喷射,速燃期和缓燃期的时间之和最短,燃烧过程最快;氮氧化物排放量随喷射推迟有明显减少,故推迟燃料的喷射有利于优化排放。     

EGR及进气压力对双燃料发动机燃烧和排放的影响

为解决船舶柴油机排放的NOx、soot和CO等污染物过多的问题,以济南柴油机厂出产的4190ZLC-2型船用中速机为研究对象,运用AVLF FIRE软件构建双燃料燃烧室模型,并验证该模型的准确性.通过仿真试验研究甲醇掺混比为20％的情况下,不同EGR率和进气压力对柴油机燃烧、排放和动力特性的影响,保证在柴油机正常燃烧性能情况下得出最佳的EGR率和进气压力.研究结果表明:EGR引入并配合混合燃料能大幅降低NOx排放量,可满足国际海事组织TierⅢ排放标准;放热率曲线会随着EGR率的增大而后移,且峰值增加,同时柴油机的动力性有不同程度的下降.在EGR的基础上适当提高进气压力不仅能优化柴油机动力性,而且可进一步降低NOx、soot和CO排放.经分析,当掺混比为20％、EGR率为10％时,NO排放较原机排放降下76.9％,soot排放量降低40.7％,指示功率降为51.26 kW;当进气压力提高至0.213 MPa时,指示功率增大至52.88 kW,柴油机的动力性得到优化.     

高压共轨船用柴油机燃烧与排放数值研究

为研究高压共轨船用柴油机燃烧与排放特性,应用CFD软件fire对某型船用柴油机喷雾燃烧进行了三维数值模拟。计算得到了不同轨压和不同喷油提前角下的燃油液滴分布、当量比分布、缸内燃烧温度和压力分布,以及NOx和soot质量分数分布等,同时还得到了油耗与指示功率值。对比研究了共轨压力和喷油提前角对燃烧和排放的影响。     

喷射压力对直喷天然气发动机燃烧特性的影响

天然气作为直喷式天然气发动机重要的燃料,其喷射压力对发动机燃烧特性有重要影响。采用CFD软件研究了不同天然气喷射压力对船用柴油引燃天然气直喷发动机燃烧性能的影响。结果表明:天然气喷射压力越大,其滞燃期和着火持续期越短;总放热量少,其NOx排放越低,但HC排放越高,Soot和CO排放先低后高。喷射压力越高,速度动能越大,混合越均匀燃烧更充分。喷射结束速度衰减较快,不利于混合与燃烧。天然气喷射压力的研究有利于优化发动机工作性能。     

不同供油提前角对船用柴油机排放的影响

本文建立T6138ZLCZU直喷柴油机计算模型,模拟研究不同供油提前角对船用柴油机排放的影响,并通过实验实测了不同供油提前角下船用柴油机的排放。研究结果表明:随供油提前角的增大,缸内温度和缸内压力都有所增高,NOx的排放量增加,碳烟的排放量减少,最终生成的碳烟的平均粒径变小,供油提前角的变化对最终生成的碳烟平均数密度影响较小;PM排放与NOx排放之间呈现出此消彼长的相互关系。本文研究为柴油机喷油参数优化提供参考,为进一步降低柴油机排放提供理论依据。     

LPG发动机稀燃流场优化及排放特性研究

将传统燃油发动机改装为LPG稀燃发动机,并在进气道内安装涡流挡板,该挡板可作不同进气模式切换,以根据发动机负载达到分层燃烧和均质燃烧两种模式。建立LPG发动机三维数值仿真模型,分别进行稳态、暂态流场优化分析以及缸内油气分布模拟,并通过稀薄燃烧实验与仿真结果进行对比。结果表明：均质模式与分层模式下的稳态流场分析结果与实验结果相吻合,流量系数误差在6%以内;暂态流场表明,分层模式下进气气流因涡流挡板的导引,在气缸内涡流增强,因喷射角度改变,燃料能有效地集中在火花塞中心,其余则为较稀的混合气,形成油气高度分层分布状态,提高稀油极限;稀油极限提高后,可降低LPG发动机CO2、NOx排放量。