船用柴油机燃烧室结构优化及进气系统匹配研究

摘要

随着航运业的快速发展，船舶的排气污染逐渐受到人们的重视，国际海事组织制订了越来越严格的法规来控制船用柴油机的排放，尤其是限制 NOx的排放量。而柴油机的缸内燃烧过程直接决定着 NOx的生成量，因此优化燃烧是进行NOx机内净化的基本方法。本文利用模拟手段进行了燃烧室结构匹配进气系统对燃烧和排放的优化研究，通过燃烧室结构匹配涡流比对缸内油气混合的改善作用以及米勒循环和EGR对缸内温度的降低作用来减少排放物生成。
　　基于一款六缸增压中冷船用柴油机，以 AVL程序为计算平台，采用 Boost和Fire软件分别建立柴油机一维和三维仿真模型进行模拟计算，研究燃烧室结构、涡流比、带增压的米勒循环和EGR对船用柴油机燃烧、性能和排放的影响，探索缩口燃烧室匹配涡流比方案和中等程度米勒循环匹配小EGR率方案对大缸径船用柴油机在IMO TierⅢ法规下的适用性。
　　研究结果表明，燃烧室直径和凹坑深度等参数会对缸内流动产生很大影响，凹坑深度较大的缩口燃烧室能产生较强的涡流从而改善燃烧，而浅坑的开口燃烧室的缸内燃烧状况较差。同时发现，只有在缸内涡流和湍动能同时都较大的情况下才能使燃烧更完全。从发动机性能和排放结果来看，缩口燃烧室能够增加功率输出，但会使NOx排放小幅增加；直口燃烧室能够在与原机接近的功率输出下，达到良好的排放水平；开口燃烧室的做功能力较差。燃烧室结构的优化并匹配合理的涡流比能够改善缸内流动，进一步降低排放，并增加指示功率。
　　随进气门关闭正时的提前，缸内温度逐渐降低，NOx排放减小，但进气门关闭过早会使瞬时放热率急剧增加，发动机工作粗暴，同时增加 NOx排放；EGR策略可以弱化缸内高温分布，减少NOx排放，但碳烟（soot）排放有所增加。进气门关闭提前角较小时EGR对缸内氧浓度的降低起主要作用，而进气门关闭提前角增大后，滞燃期的增加对油气混合的改善起主要作用。采用改进燃烧室和涡流比并匹配Miller循环和EGR技术可使NOx排放降低90.6％，同时使功率输出略有增加。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 能源危机与环境保护

1.3 内燃机行业面临的挑战及解决方法

1.4 柴油机燃烧室结构的研究与发展

1.5 柴油机进气系统的匹配优化研究

1.6 本课题的研究意义和内容

第二章 数值模拟理论基础

2.1 AVL-BOOST介绍

2.2 AVL-FIRE介绍

2.3 基本控制方程

2.4湍流模型

2.5 喷雾模型

2.6燃烧模型

2.7 排放模型

第三章 燃烧室形状和涡流比对燃烧和排放的影响

3.1 一维仿真模型的建立

3.2 三维仿真模型的建立

3.3 燃烧室结构设计

3.4 燃烧室结构对燃烧和排放的影响

3.5 涡流比对燃烧和排放的影响

3.6 本章小结

第四章 米勒循环和EGR对燃烧和排放的影响

4.1 米勒循环对柴油机燃烧和排放的影响

4.2 EGR对柴油机燃烧和排放的影响

4.3 各技术耦合后的综合影响

4.4 本章小结

第五章 全文总结和工作展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢