某高速艇用柴油机涡流燃烧室节流通道的优化计算分析

基于ECFM－3Z燃烧模型建立高速艇用涡流室柴油主机工作过程模型．在经过台架试验验证模型可靠性的基础上,详细分析了不同连接通道倾斜角下上止点前后5°CA时刻的燃烧室内流场的分布情况和上止点后15°CA时刻缸内的温度分布云图,以及由此得出的涡流燃烧室缸内燃烧过程的变化情况．结果表明：连接通道倾斜角度越大,涡流室内的能量损失越小;主燃室内的混合气速度越高,燃油与空气混合的越好．当倾斜角度由35°增大到45°时,缸内压力升高0.37 MPa,温度上升65 K且燃烧重心提前,NOx 排放上升,碳烟排放下降,功率得到提高．综合考虑,选择45°连接通道倾斜角对高速艇用柴油主机最为有利．研究结果为涡流室柴油机在高速艇上的应用提供参考．     

直喷式柴油机降排放技术的开发研究

本文从柴油机降排放的角度出发,着重对直喷式柴油机废气排放中问题最大的NOx和PM生成及其降排放措施进行分析探讨,并运用以上技术对TY395柴油机进行技术开发,通过改进其燃烧系统即对其进气系统、燃烧室形状和喷油系统三方面进行重新设计并在发动机试验台上进行测试,结果表明降排放效果明显.     

燃烧室对4190船用柴油机燃烧及排放性能的影响

结合4190ZLC-2型船用柴油机电控化改造项目,应用AVL_FIRE专业软件,建立柴油机缸内高压循环的仿真模型,通过台架试验获得缸压曲线,验证模型的正确性。利用该模型研究燃烧室型式、结构参数对燃烧过程和排放浓度等的影响。结果表明:缩口燃烧室的排放性能最好;喉口直径较小时,NOx排放浓度低,但是碳烟排放浓度较高;凸台高度增大使得缸内高温区面积减小,缸内最高温度增大,凸台高度越小,NOx排放浓度越高,但碳烟排放浓度较低;随着凹坑半径增大,缸内最高温度和压力逐渐增大,排放浓度也会受到很大影响。     

进气氧浓度和EGR对船用二冲程柴油机排放特性影响研究

以MAN 6S35 ME-B9型船用二冲程柴油机为研究对象,在GT-POWER软件中建立其工作过程一维模拟计算模型,通过改变EGR率和进气氧浓度,研究废气再循环和进气氧浓度对柴油机动力性、经济性和排放性能的影响。结果表明,提高EGR率会降低柴油机燃烧速率和燃烧温度,有效降低柴油机NOx生成及其排放,EGR率在28.89%～38.58%之间,NOx排放为3.04～1.34 g/kW·h,满足TierⅢ标准,但需要牺牲一部分经济性与动力性。贫氧进气条件下,燃烧温度和燃烧速率降低,输出功率降低,燃油消耗增加,NOx排放降低,碳烟排放较高;富氧进气条件下,柴油机燃烧趋于完善,能量利用率高,动力性和经济性好,Soot排放低,但NOx排放高。高EGR率条件下,在一定程度上提高进气氧浓度,可使柴油机NOx排放满足TierⅢ排放要求,并维持Soot排放在较低水平,同时减少动力性、经济性的损失。     

基于正交设计的船用柴油机燃烧系统参数匹配及优化

为研究柴油机燃烧系统参数匹配对柴油机动力和排放性能的影响,首先分别利用AVL_BOOST和AVL_FIRE仿真软件建立4190ZLC-2型船用柴油机整机模型和缸内燃烧高压循环模型,然后基于已建模型应用正交试验设计方法安排柴油机进气系统、喷油系统和燃烧室结构尺寸参数匹配仿真计算。研究结果表明,通过极差分析可以得出燃烧系统参数对4190ZLC-2型柴油机性能的影响主次顺序。以柴油机指示功率为评价指标时,参数组合0.26 mm-28°CA-160°-0.9-145 mm-2.6 mm-22 mm(喷孔直径-喷油提前角-油束夹角-涡流比-喉口直径-凸台高度-凹坑半径)对应的指示功率为63.40 k W,比原机仿真值高15%;以NOX排放为评价指标时,参数组合0.30 mm-24°CA-140°-0.4-135 mm-6.6 mm-14 mm(喷孔直径-喷油提前角-油束夹角-涡流比-喉口直径-凸台高度-凹坑半径)对应的NOX排放质量分数为0.015 7%,比原机仿真值低30.2%。     

短环形燃烧室双燃料燃烧流场污染物排放研究

污染物排放研究一直都是燃气轮机燃烧室的热门课题。本文研究了短环形燃烧室分别混烧氢气和裂解气后对NOx排放的有利影响和不利影响。添加的氢气质量分数分别为1%和10%,添加的裂解气质量分数分别为1%、10%和15%。比较了使用不同燃油方案的燃烧室流场结果,分析了燃烧效率、出口温度、NOx排放与其他燃烧室性能参数。结果证实氢气可有效改进燃烧效率,但同时其易燃性与极快的化学反应速度又会导致火焰温度升高以及NOx排放量增大,这一点违背了降低排放的初衷。而混烧裂解气既可保留氢气的优点,同时组分水蒸气的存在又能吸收高温区部分热量,降低火焰温度,有利于降低NOx排放。从而使得燃烧室在保持较高的燃烧效率和较低的出口温度的同时,NOx排放量不会剧烈增加。     

船用增压柴油机不同负荷下燃烧排放性能研究

为了研究柴油机在不同运行工况下偏心燃烧室缸内燃烧及排放情况,采用三维流体数值分析软件AVL FIRE建立某型柴油机燃烧及排放的计算模型。通过对不同负荷下柴油机燃烧及排放的模拟,计算该型柴油机缸内压力、温度等参数随曲轴转角的变化及燃烧温度、燃空当量比、NO和Soot的分布情况。研究表明：随着负荷的增加,在高负荷下易出现燃油撞壁现象;NO生成量随着负荷的增大而增加,在负荷增大到一定值时反而减小;NO生成主要分布于燃烧室偏心侧,高工况时NO大量生成在燃烧室边缘;Soot主要集中在油束与缸盖之间的缝隙位置。     

进气挡板对TBD620柴油机燃烧过程的影响分析

通过实测示功图计算燃烧放热率,根据TBD620柴油机的进气涡流挡板对柴油机燃烧过程的影响测试,获取数据。得出在低负荷下,关闭进气涡流挡板,可提高进气涡流比,有效改善缸内可燃混合气形成质量,缩短滞燃期、增强预混燃烧比例。     

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.     

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。     

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。     

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。     

中速柴油-甲醇双燃料发动机试验

在未对原机燃油系统进行改动的情况下,为一台中速柴油机加装甲醇喷射装置,组成了柴油-甲醇双燃料系统,分析了该发动机在变速和恒速工况下的甲醇替代特性,以及个别工况下喷油正时对上述特性的影响。试验数据显示,随着甲醇替代率的增加,NO_x排放和热效率会出现拐点;发动机HC排放的增长在低负荷时可控制在原机的2.3倍,中高负荷时普遍在10倍以上,最大时达22.4倍;推迟喷油在热效率上的负面影响会随着甲醇替代率的增加而逐步减少,而其在NOx排放方面的优势却能得以保持;在恒速发电工况下,中低负荷时甲醇的部分燃烧倾向增加,限制了甲醇替代率的提高;变速变载的运用形式下,柴油-甲醇双燃料系更容易取得较高的热效率,而恒速变载的运用方式下,双燃料系统更容易获得较低的NOx排放。     

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。     

掺烧不同比例二甲醚柴油机燃烧与排放特性的影响

为研究不同比例的二甲醚/柴油混合燃料的燃烧性能与排放特性的研究,以4190ZLC-2型船用中速柴油机为原型机,运用AVL_FIRE仿真软件构建燃烧室高压循环模型,首先通过仿真数据与台架试验的缸压曲线进行对比,验证模型的准确性。研究结果表明：经过双喷油孔的二甲醚（DME）进入缸内后,呈现明显的燃烧阶段DME低温燃烧和柴油扩散燃烧;随着DME的掺烧比例的增大,缸内压力和温度峰值有增大的趋势,对应的相位有所提前;在100%负荷工况下NOX排放最终呈现先减小后增大;在CO和碳烟排放中呈现显著降低趋势。在反应过程中掺烧DME缩短了滞燃期和燃烧持续时期,混合质量较柴油好,DME和柴油混合后有良好的雾化特性,为后期的DME研究提供参考。     

某船用柴油机SCR系统匹配性能试验分析

针对某船用柴油机,在D2试验循环模式下进行原机和加装SCR系统后的性能对比试验,分析SCR反应器在无尿素喷射时对柴油机排气特性和经济性的影响,同时还分析按氮氨比为1∶1进行尿素喷射时SCR系统的工作性能。试验结果表明:柴油机安装SCR系统后,排气背压和排气温度均有所上升;经济性略有下降,额定工况下降低幅度在1%左右;虽然增压器后NOX排气浓度增大,但NOX质量流量下降幅度较大,额定工况下降幅度为12.3%,尿素基本喷射量标定计算应以加装SCR反应器后的柴油机排气参数为依据;NOX加权比排放由原机的12.63 g/k Wh降低到11.52 g/k Wh,降低了8.7%。按氮氨比为1∶1的比例进行尿素喷射时,SCR系统能满足Tire III的NOX排放限值要求。研究结果可为SCR系统设计和尿素喷射量的标定提供一定的指导依据。     

斯特林发动机燃烧室氧-柴油无焰燃烧的数值研究

对斯特林发动机燃烧室氧-柴油无焰燃烧进行数值模拟。研究表明：氧-柴油无焰燃烧相比于传统氧-燃料燃烧需要卷吸更多的烟气来对纯氧进行稀释。直流燃烧室和旋流燃烧室内实现无焰燃烧的引射比分别为32和11.5,旋流燃烧室有助于无焰燃烧的实现。氧-柴油无焰燃烧的火焰峰值温度比传统燃烧模式低600 K左右,火焰峰值温度大幅下降。氧-燃料模式下燃烧室温度变化在20%以上,而氧-柴油无焰燃烧模式下温度变化小于15%,燃烧室温度均匀性显著提高。     

控制船用柴油机NOx和烟度排放的试验研究

分析喷油正时和压缩比对柴油机NO_x和烟度排放的影响,通过试验寻求在保证经济性前提下,通过改变喷油正时及压缩比降低NO_x排放的同时,又不致造成烟度排放大量增加的技术调整方法。     

相继增压对某型柴油机性能影响及喷油参数再优化

对某采用相继增压与可控进气涡流复合系统的柴油机建立了缸内仿真模型,分别对可控进气涡流系统和相继增压与可控进气涡流复合系统的燃烧过程进行仿真计算,结果表明,在低工况下后者排气中NOX、Soot的质量分数分别降低了54%和86.1%。并对相继增压与可控进气涡流复合系统柴油机喷油提前角、喷雾锥角进行了再优化仿真计算,结果表明,优化后喷油提前角为20°CA,喷雾锥角为155°。     

基于正交—主元分析对柴油机燃烧参数匹配优化

基于电控化改造后的4190柴油机,利用AVL—FIRE软件建立天然气—柴油双燃料发动机燃烧室高压循环模型,并与原机进行验证。采用正交试验法以指示功率和NOX生成量为优化目标,并对燃烧参数进行匹配,进行仿真试验。利用主成分分析法对仿真结果进行优化分析,将优化结果与正交试验结果对比并最终代入模型进行检验。通过正交—主成分分析得出：柴油机运行参数对低温燃烧影响的主次顺序与正交试验设计基本一致,且具有更高的可靠性和准确度。优化后的参数为：天然气替代率45%,进气压力0.224MPa,EGR率12.5%,进气温度335.15K,喷油提前角22.7°对应的指示功率为37.83kW,NOX生成质量分数比原机降低78.73%,比极差分析最优组合降低10.92%。该优化方案在保证动力性的前提下可以有效地降低NOX排放。