高压直喷天然气船机燃烧和排放的数值模拟研究

发布时间：2020-06-18 01:31

【摘要】：远洋船舶作为高效经济的运输工具而被熟知,同时也向海洋环境排放了大量的污染物。随着针对远洋船舶的排放法规日益严格、原油价格不断波动上涨以及重油质量越来越差,航运企业面临着巨大的挑战。因此,探索新型减排技术就变得迫在眉睫。同时,寻找船用替代燃料,比如天然气,也是合理的解决办法。因此,有必要针对天然气船舶发动机如何高效清洁运行进行相应研究。本文首先在CONVERGE程序中搭建了船机三维模型,并对比文献中的试验数据进行了验证。随后在此基础上,研究了EGR和天然气喷射型线对HPDI天然气船机性能和排放的影响。研究表明,与柴油单燃料相比,以天然气为主要燃料的发动机可采用更少的EGR满足排放法规要求。若要进一步实现经济性和排放性相兼顾,可结合EGR和燃料喷射策略使用。而比较不同天然气喷射型线发现三角形型线下具有较高的缸压和放热率峰值,燃烧持续期短,同时燃烧温度较高导致NOx排放增大。矩形和斜坡形型线缸内燃烧温度偏低有利于改善NOx排放,但受初始喷油速率较高以及燃烧后期温度偏低影响,碳烟和UHC排放物偏高。楔形与梯形型线能在油耗和排放方面取得较好的平衡。在此基础上,进而研究了燃料喷射时刻及天然气两次喷射的影响。结果显示,引燃油喷射时刻的改变对燃烧过程的影响不如天然气喷射时刻显著,对两种燃料喷射时刻的控制可实现NOx排放和油耗的同时轻微改善。天然气喷射提前或引燃油喷射推迟均会增大天然气预混燃烧比例,但后者同时推迟了天然气被引燃的时刻导致燃烧相位推迟。而天然气喷射推迟或引燃油喷射提前均增大了两种燃料喷射间隔,前者导致燃烧过程整体滞后,NOx排放略有改善;后者对缸内压力和温度影响不大,但UHC和碳烟有明显下降趋势。采用预喷策略会影响天然气被引燃前与空气的预混合程度,从而影响预混燃烧的比例;合理的预喷策略可同时改善油耗和NOx排放,但碳烟排放高于无预喷的情况。采用后喷策略会使得后喷天然气燃烧受主喷干涉,油耗增加,但NOx排放在较大后喷比例时有一定改善,碳烟排放则在较小后喷比例时优于单次喷射的情况。综上,本文系统研究了EGR以及燃料喷射规律对HPDI天然气船机燃烧过程和污染物排放的影响,结果对新型天然气船机的开发具有较强的工程指导价值。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.1

【参考文献】