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。     

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.     

进气压力对柴油微引燃乙醇发动机的影响

基于单缸四冲程柴油机,对在船舶上具有应用前景的柴油微引燃乙醇发动机进行燃烧、性能及排放特性研究。以所采用发动机中能实现压燃着火的最小柴油量为固定引燃柴油喷射量,比较进气压力分别为0.15 MPa和0.20 MPa的工况组,通过改变柴油喷射时刻来进行工况扫描。结果显示:进气压力更大的工况,着火滞燃期更短,燃烧持续期更长,指示热效率更低;存在两阶段着火的工况点,第一阶段放热的占比更大;进气压力增大时,氮氧化物(NOX)排放更低,但未燃碳氢(UHC)与一氧化碳(CO)排放更高。     

环境湿度对船舶主机动力和排放的影响

大型低速二冲程柴油机凭借良好的动力性和低油耗的特点,在船舶上有大量的应用。然而,随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的不断增强,船舶主机因为燃油质量差和排放控制水平相对较低排放出尾气中的NOx和Soot成为影响大气污染的重要部分,尤其在港口城市中,已经成为不可忽视的因素。本文用GT-POWER建立一维仿真模型,分析环境湿度对船舶主机动力和排放的影响,结果显示随着环境湿度的提高,船舶柴油机的燃烧压力峰值和温度峰值都有所下降,排放方面NOx会大幅降低,Soot会提高。     

对船用低速柴油机NOx修正系数的研究

通过对MARPOL公约附则VI中NOx修正系数的研究表明，扫气空气温度属于可控制的进气参数，不需要出现在NOx修正系数公式中。作者研究认为进气温度、进气湿度和大气压力是三个重要影响因素，而将扫气空气温度与最高燃烧压力作为运行参数在ISO状况下对NOx值进行修正则更为合理，并推导出了新的NOx修正系数。     

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。     

运行参数对双燃料船用柴油机燃烧和排放性能的影响

为研究运行参数对天然气-柴油双燃料船用发动机燃烧和排放的影响,运用AVL_FIRE仿真软件基于4190Z_LC-2型船用中速柴油机,构建燃烧室高压循环模型。通过将仿真数据和台架试验得到的缸压曲线进行对比,验证模型的准确性。采用模型仿真,研究运行参数对燃烧和排放性能的影响。结果表明:天然气替代率可以明显改善NO的排放,过高的替代率会降低指示功率,损失部分动力性;提高进气温度可改善燃烧质量,合适的进气温度可以改善动力性和经济性;提高进气压力有增压效果,适当提高进气压力可获得较好的动力性和排放性;喷油提前角的增大,会延长滞燃期,缩短后燃期,而合适的喷油提前角可以避免工作粗暴,改善柴油机动力性。     

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。     

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。     

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。     

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°。     

柴油机燃烧新模式研究

柴油机最重要的关键技术之一是燃油的燃烧和废气的排放.影响燃油燃烧和废气排放的最主要因素之一是油气混合质量.油气的混合质量又取决于进气气流流动线路和喷油压力、时间(提前角)等.优化燃烧条件是促进完全燃烧,改善和降低有害气体和颗粒排放的前提.三重旋转切变风进气模式是一项原创性新技术,是优化燃烧条件新的选择.加大喷油提前角和喷油压力是促进物理准备过程的另一重要因素.改进设计进气阀和进气阀在缸头的空间布置是主要技术措施.     

基于国四排放非道路柴油机喷射系统的优化试验

基于非道路378型柴油机,采用不同的轨压、主喷正时、预喷油量和预喷-主喷间隔,进行非道路柴油机八工况的喷油参数优化试验.试验结果表明:随轨压的增加,NO_x排放增加,烟度和有效燃油消耗率不断减小,HC排放先降后升;随主喷提前角的增大,NO_x排放增加,烟度、HC和有效燃油消耗率不断减小;随预喷油量的增大,NO_x、烟度和有效燃油消耗率先降后升,HC排放不断增加;随着预喷-主喷间隔角的增大,NO_x先降后增,烟度不断下降,HC和有效燃油消耗率不断增加.综合考虑排放和经济性,确定了八工况下的喷油参数的优化值,八工况稳态测试循环测量结果:NO_x+HC为6.32g·(kW·h)~(-1),PM为0.169 g·(kW·h)~(-1),满足非道路国四排放限值要求.对于非道路柴油机,采用较高的轨压、较小的主喷提前角、少量预喷油量及较短的预喷-主喷喷油间隔,可优化燃烧过程,降低排放,提高经济性.     

柴油-LNG双燃料船用发动机排放特性试验研究

为研究单点进气双燃料发动机的经济性和排放性能,将一台传统船用发动机改装成增压器后单点进气双燃料发动机,进行原机和双燃料模式的负荷特性对比试验。结果表明,单点进气双燃料发动机经济性略有下降,NOx排放基本持平,HC和CO排放大幅上升,说明简单改装的总管进气双燃料发动机的经济性和排放性能都不具有优势。     

船用柴油机STC系统设计与试验研究

针对某船用增压柴油机,对其进行相继增压(STC)系统进、排气管路,排烟管和气动蝶阀控制系统的设计与改造。通过试验,研究了在推进特性工况下,采用1TC和2TC对柴油机燃烧和排放性能的影响。结果表明,采用STC系统相比原机常规增压在低工况(P≤40%Pe)时可以达到提高柴油机动力性,降低燃油消耗率,减少NOx和Soot浓度的目的。其中,最高燃烧压力在10%Pe相比原机增长幅度约为21.2%,燃油消耗率下降约4.7%,而NOx浓度最大降低率约为22.92%,Soot浓度最大减小率约为48.83%。     

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。     

环境温度和进气压力损失耦合作用下的燃气轮机性能

采用变比热容并考虑油气比变化对系统的影响,建立了一种非线性的考虑容积惯性的双轴燃气轮机动态仿真模型.基于不同的工况,获取进气系统的压力损失变化规律;并耦合燃气轮机在不同环境温度下的实际运行需求,对燃气轮机的性能进行了仿真研究和计算.结果表明:随着燃气轮机工况的增加,进气系统的压力损失按接近2次方规律增加;在高温和高工况条件下,燃气轮机的有效输出功率和热效率下降明显.所得结果可为燃气轮机的优化设计和使用提供理论基础和决策参考.     

掺烧生物柴油结合相继增压技术对柴油机性能影响试验研究

本文基于TBD234V6型柴油机,将原单涡轮增压改为双涡轮增压进行掺烧生物柴油试验。配置生物柴油体积掺混比为0%,5%,10%,15%,20%,25%共6组生物柴油掺混比,选取10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%共10个工况点进行试验。结果表明：相继增压柴油机生物柴油掺混比为0时,在10%～40%负荷,较原机相比,最高燃烧压力增大,油耗降低,NOx和Soot排放下降;在50%～100%负荷,最高燃烧压力与原机相比略微下降,燃油消耗率、NO_X和Soot排放略优于原机。但增大生物柴油掺混比,相继增压柴油机最高燃烧压力下降,油耗增加,NOx排放升高,显著改善Soot排放。基于试验数据,建立多目标灰色决策模型,计算得到相继增压柴油机生物柴油最佳掺混比为25%。     

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。     

掺烧生物柴油耦合进气道加湿对柴油机燃烧及排放性能的影响

为探索掺混生物柴油燃烧耦合进气道加湿技术对柴油机燃烧及排放性能的影响,基于TBD234V6型柴油机,应用AVL-fire软件建立仿真模型进行研究.选取柴油机在75％中高负荷工作时,设置0.5～2.5共5组掺水率、10％～40％共4组生物柴油掺混比做仿真分析.结果表明:在掺水率为0时,随着生物柴油掺混比例增大,柴油机动力性下降16.3％,CO排放量下降34.2％,Soot排放量下降92.8％,NO排放量升高35.7％;在生物柴油掺混比为40％时,随着掺水率增加,柴油机动力性下降3.3％,CO排放量升高19.2％,NOX排放量降低89.7％,Soot排放量升高150.8％,但与原机相比Soot排放量仍低出81.9％.掺烧生物柴油降低Soot及CO排放效果显著,但对NO排放有促进作用;生物柴油耦合进气道加湿技术能极大降低NO排放,同时对Soot和CO生成也有较好的抑制效果,柴油机排放性能虽得到了优化,但动力性有所下降.研究结果可为船用柴油机掺混生物柴油燃烧耦合进气加湿技术试验提供一定的指导依据.