均质压燃船舶柴油机燃烧过程与NO排放的数值模拟

摘要

随着航运业的快速发展，全球营运船舶数量持续增加，船舶柴油机排气中的NOx等污染物对大气环境造成的危害愈加严重。从2005年5月19日起国际海事组织(IMO)的MARPOL73/78公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》已经正式开始实施。为了满足日益严格的排放法规，寻找高效清洁新的燃烧方式已是刻不容缓的工作。 均质压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)结合了传统火花点火内燃机和压燃式柴油机的优点，具有效率高、低NOx排放的潜质，已成为研究的热点。 本文首先在传统的单区模型基础上建立了正庚烷HCCI燃烧模型，其特点是将正庚烷的详细化学反应动力学机理和NOx生成机理运用到模型中，更加接近HCCI燃烧的真实过程；然后利用化学动力学计算软件包CHEMKIN对正庚烷HCCI船舶柴油机的燃烧过程进行数值模拟研究。对燃烧过程的模拟发现正庚烷HCCI燃烧过程由低温反应区、中温反应区和高温反应区三个阶段构成。在此基础上，对压缩比、进气温度、进气压力、过量空气系数和转速等参数变化对燃烧过程的影响做了进一步的探讨。 本文同时结合NOx生成三因素-缸内温度、氧气浓度及氧气和氮气在高温下的滞留时间，对正庚烷HCCI船舶柴油机的NOx的生成和排放过程进行了较为深入的研究，也在此基础上探讨了进气温度、进气压力、压缩比、过量空气系数和转速等参数变化对NOx生成过程及排放量的影响，并尝试分析了这些运行参数的改变对NOx生成三因素的影响。最后本文以所用的柴油机NOx排放的实际运行数据为基础，模拟计算了在同等工况下正庚烷HCCI柴油机的NOx排放数据，在理论上证明了HCCI燃烧方式优良的低NOx排放特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2HCCI燃烧方式概述

1.2.1 HCCI发展历程概述

1.2.2 HCCI内燃机工作原理

1.2.3 HCCI内燃机燃烧和排放特性

1.2.4HCCI内燃机面临的问题与难点

1.3 HCCI内燃机数值模拟研究概况

1.3.1单区模型

1.3.2多区模型

1.3.3多维模型

1.3.4 HCCI数值模型研究的重要性

1.4本文的主要工作

第2章 正庚烷均质压燃化学反应动力学机理

2.1化学反应动力学概述

2.1.1基元反应概念

2.1.2反应速率及其影响因素

2.1.3链锁反应

2.2 HCCI化学反应动力学机理

2.2.1单步机理

2.2.2通用机理

2.2.3详细反应机理

2.2.4简化反应机理

2.3烃燃料HCCI氧化反应机理

2.3.1烷烃的低温氧化反应

2.3.2烷烃的中温氧化反应

2.3.3烷烃的高温氧化反应及排放物的形成

2.4 正庚烷氧化反应机理

2.4.1低温区反应

2.4.2中温区反应

2.4.3高温区反应

第3章 船舶柴油机NOx的生成和排放机理

3.1柴油机NOx排放及对生态环境的影响

3.2关于船舶柴油机排放的国际公约和相关法规

3.2.1《MARPOL73／78》公约附则Ⅵ

3.2.2我国船舶柴油机的排放控制法规

3.3船舶柴油机NOx的生成和排放机理

3.3.1热力型NOx的生成机理

3.3.2船舶柴油机NOx排放的影响因素

第4章 正庚烷HCCI内燃机燃烧模型的建立

4.1柴油机的工作过程

4.2计算模型

4.3 CHEMKIN软件包

第5章　模拟计算及结果分析

5.1正庚烷HCCI船舶柴油机燃烧过程的模拟结果讨论

5.1.1正庚烷HCCI船舶柴油机燃烧过程分析

5.1.2压缩比对HCCI燃烧过程的影响分析

5.1.3进气温度对HCCI燃烧过程的影响分析

5.1.4进气压力对HCCI燃烧过程的影响分析

5.1.5过量空气系数对IICCI燃烧过程的影响分析

5.1.6转速对HCCI燃烧过程的影响分析

5.2正庚烷HCCI船舶柴油机NOx排放的模拟结果讨论

5.2.1 HCCI船舶柴油机NOx排放过程及影响因素

5.2.2压缩比对NOx排放的影响分析

5.2.3进气温度对NOx排放的影响分析

5.2.4进气压力对NOx排放的影响分析

5.2.5过量空气系数对NOx排放的影响分析

5.2.6转速对NOx排放的影响分析

5.2.7正庚烷HCCI船舶柴油机的NOx减排效果简析

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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