基于进气加湿的船用柴油机性能仿真与优化研究

摘要

面对日益严峻的环境问题，国际海事组织针对作为大气污染源之一的船舶柴油机，制定了愈加严格的排放法规，尤其体现在对氮氧化合物的限制方面，因此如何有效降低NOx排放，且折衷碳烟排放和油耗问题成为研究热点。进气加湿是由进气充量将水蒸气带入缸内，可以优化燃烧过程，降低污染物排放。本文利用数值模拟手段，基于进气加湿技术，研究不同进气条件对缸内燃烧和排放的影响。
　　以一款六缸增压中冷船用柴油机为原型，首先利用GT-POWER软件进行相应工况下的一维数值模拟研究，并为三维计算提供相应的初始条件。利用AVL-FIRE软件建立三维实体和网格模型，验证模型的有效性，在此基础上展开进气加湿和EGR对船用柴油机燃烧和排放影响的研究，并对比分析两种方式的异同点，最后对进气加湿和米勒循环耦合的方式进行了探索研究。
　　研究结果表明，进气加湿可以降低缸内峰值压力和温度，延长滞燃期和燃烧持续期，增加预混燃烧比例。燃烧放热重心CA50向后偏移，燃烧定容度和热效率下降。燃烧高温火焰区减少，缸内氧浓度下降，NOx排放随加湿程度提高而降低。但同时造成缸内高当量比区域增多，燃烧后期氧化能力减弱，soot和CO排放恶化，因此在应用进气加湿降低NOx排放时，需要严格控制加湿程度。
　　EGR对缸内燃烧和排放的影响与进气加湿类似，同样造成缸内峰值压力和燃烧温度的下降，以及滞燃期、燃烧持续期延长和燃烧重心后移。但是以降低相同比例的NOx排放为基准将两种技术进行对比时，EGR对滞燃期、燃烧持续期、CA50的影响程度要高于进气加湿；且燃烧效率、soot和CO排放的恶化相对于进气加湿也更明显。因此，进气加湿相比于EGR更具有折衷NOx和soot排放及油耗关系的潜力。
　　进气门关闭时刻推迟，进气充量减少，压缩终了时缸内温度降低，滞燃期延长，着火时刻燃烧的瞬时放热率峰值增加，预混燃烧比例提高。推迟进气门关闭角降低缸内最高燃烧压力的效应与提高加湿程度相当，而对 NOx排放降低的效应不及提高加湿程度显著，但对soot和CO排放的恶化也较小。因此，可以耦合使用进气门晚关和进气加湿实现 NOx排放的进一步降低，同时减弱进气加湿在较大加湿量时的负面效应。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 能源危机和环境保护

1.3 柴油机排放法规及其控制措施

1.4 柴油机新型燃烧方式

1.5 加湿技术在柴油机上的应用与发展

1.6 废气再循环在柴油机上的应用与发展

1.7 本课题的研究意义和内容

第二章 数值模拟理论基础

2.1 计算流体力学及AVL FIRE软件

2.2 基本控制方程

2.3 湍流模型

2.4 喷雾模型

2.5 燃烧模型

2.6 排放模型

第三章 进气加湿对船用柴油机燃烧和排放的影响

3.1 三维仿真模型的建立和验证

3.2 进气加湿对缸内燃烧的影响

3.3 进气加湿对排放的影响

3.4 本章小结

第四章 EGR与进气加湿对燃烧和排放的对比研究

4.1 EGR对缸内燃烧的影响

4.2 EGR对排放特性的影响

4.3 EGR与进气加湿对缸内燃烧影响的对比研究

4.4 EGR与进气加湿对排放影响的对比研究

4.5 本章小结

第五章 米勒循环耦合加湿对船用柴油机燃烧和排放的影响

5.1 一维仿真模型建立及模型验证

5.2 米勒正时耦合进气加湿对缸内燃烧的影响

5.3 米勒正时耦合进气加湿对排放的影响

5.4 本章小结

第六章 全文总结及工作展望

6.1 全文工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢