船舶柴油机燃烧排放性能三维数值模拟研究

摘要

随着能源危机和环境问题日益严峻,人们对船舶柴油机的经济、排放性能要求越来越高。由于国际海事组织(IMO)制定的排放标准越来越严格,如何降低柴油机的氮氧化物(Nox)及微粒的排放量,是当前亟待解决的问题。柴油机的燃烧过程是决定燃烧与排放性能最根本的因素。随着计算科学和计算机技术的快速发展,燃烧过程的数值模拟成为了燃烧过程研究的重要手段。使用CFD软件进行数值模拟成本低,速度快,能提供一些试验无法获得的数据信息。
　　 本文以FIRE软件为研究工具,应用FIRE软件中的ESE模块建立了TBD234V12柴油机燃烧室的几何模型,对其进行了动网格划分,确定了计算初始参数,建立了该型柴油机燃烧数值模拟的仿真模型并采用试验值进行了验证。
　　 计算分析了TBD234V12柴油机在作为船用发电辅机时不同负荷对柴油机燃烧排放的影响。结果表明,随着负荷的增加,燃烧滞燃期缩短,缸内温度、压力、放热率、Soot和NO排放均增加。计算分析了TBD234V12相继增压柴油机在作为船用推进主机切换点前后两个工况的燃烧排放性能,结果表明,TBD234V12相继增压柴油机在1TC工况时做功能力高于2TC工况;1TC工况燃烧温度和放热率均低于2TC工况;TBD234V12相继增压柴油机在1TC工况时NO、Soot和CO2排放性能均优于2TC工况。
　　 计算分析了不同负荷下进气压力变化对柴油机燃烧和排放性能的影响,随着进气压力的增加,滞燃期逐渐缩短;在低负荷下进气压力对滞燃期影响较大,在高负荷下进气压力对滞燃期影响较小;计算结果表明:在13％负荷下,随着进气压力的增加,NO、Soot浓度随之下降;在89％负荷下,随着进气压力的增加,NO生成浓度增加后下降,Soot浓度先下降后增加。计算分析了在不同进气压力下进气门提前关闭对柴油机燃烧排放性能的影响,进气门提前关闭对燃烧放热率的影响很小,对缸内温度影响较大;在高进气压力时,进气门提前关闭对降低NO生成更有利;进气门提前关闭有助于降低CO2排放。
　　 计算分析了不同喷油规律和不同喷油提前角对柴油机燃烧和排放性能影响。结果表明,相比于方波喷油规律,原机喷油规律最高燃烧温度、最高燃烧压力和NO排放均较低,但Soot排放较高。随着喷油提前角的增大,滞燃期延长,缸内最高燃烧压力和最高温度也随之升高,燃烧初期的放热速率和压力升高比较高;适当的延后喷油时刻可以降低NO排放;在-10°CA ATDC喷油提前角下该型柴油机的燃烧排放性能比较理想。