中速柴油機快速混合及低NOx燃燒研究.pdf

1、船用柴油機NOx排放所造成的環(huán)境污染越來越受到重視，國際海事組織(IMO)先后出臺一系列法案限制NOx排放。目前，在部分排放控制區(qū)(ECAs)試實行的IMO TierⅢ法規(guī)要求NOx排放限值比IMO TierⅠ法規(guī)降低約80％。本文以240中速柴油機為研究對象，開展了機內(nèi)凈化技術(shù)降低NOx排放的研究。
　　研究內(nèi)容分為三個部分:1）基于新型燃燒室和噴油嘴的快速混合燃燒實驗研究;2）滿足IMO TierⅢ排放法規(guī)的機內(nèi)凈化NOx技術(shù)

2、路線探索;3）將上述兩方面研究內(nèi)容有機融合，實現(xiàn)快速混合及低NOx燃燒，在保證柴油機動力性的前提下，實現(xiàn)排放和經(jīng)濟(jì)性的同時改善。
　　為擴(kuò)大噴霧在燃燒室的分布范圍、提高油氣混合速率、實現(xiàn)相對快速低溫燃燒，達(dá)到改善燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低NOx排放的目的，提出兩種新型燃燒室概念:1）大導(dǎo)向角燃燒室——在噴霧落點處設(shè)置導(dǎo)向環(huán)，增強燃燒室對噴霧的碰撞導(dǎo)向作用，促進(jìn)噴霧擴(kuò)散，提高油氣混合速率;2）小導(dǎo)向角燃燒室——在噴霧落點處采用斜率較小的活塞

3、頂面，使噴霧發(fā)展方向上所受阻力減小，擴(kuò)大燃油分布范圍，促進(jìn)噴霧與空氣的混合。基于上述思想，以240柴油機為研究對象，設(shè)計了三種型線的燃燒室;為了改善噴霧特性，研發(fā)了高擾動噴油嘴。通過臺架試驗，對新型燃燒室和高擾動噴油嘴的燃燒性能進(jìn)行了初步研究。實驗結(jié)果顯示:采用大導(dǎo)向角燃燒室后，E3循環(huán)工況的NOx排放比原機降低10％，部分工況油耗率降低2％-6％;采用小導(dǎo)向角燃燒室后，E3循環(huán)工況的NOx排放降低8％，各工況油耗率平均降低3％;在同等

4、噴射壓力條件下，采用高擾動噴油嘴使E3循環(huán)工況的平均油耗率降低4％，NOx排放降低19％;高擾動噴油嘴匹配大導(dǎo)向角燃燒室方案通過提高噴霧體積增大倍率和燃燒室對噴霧的碰撞導(dǎo)向作用，使燃油在燃燒室圓周方向、徑向和軸向的分布范圍同時得到改善，縮小缸內(nèi)局部濃區(qū)范圍，E3循環(huán)工況的NOx排放降低32％，但在部分工況下油耗率略有升高;高擾動噴油嘴匹配小導(dǎo)向角燃燒室方案通過提高噴霧體積增大倍率，減小燃油噴射方向所遇到的擴(kuò)展阻力，使燃油在燃燒室圓周方向

5、和噴射方向的分布范圍同時得到改善，減少缸內(nèi)局部濃區(qū)，使E3循環(huán)工況下的NOx排放降低15％，平均油耗率降低4％。
　　為了探索滿足IMO TierⅢ排放法規(guī)的技術(shù)路線，應(yīng)用AVL BOOST和CONVERGE軟件分別建立16V240型柴油機的整機循環(huán)和三維CFD缸內(nèi)流體計算模型。經(jīng)臺架實驗數(shù)據(jù)標(biāo)定，對比分析多組Miller循環(huán)、EGR技術(shù)和優(yōu)化幾何壓縮比、噴油正時的方案對燃燒與排放的影響，并在240單缸機臺架實驗中進(jìn)行Miller

6、循環(huán)方案的驗證。研究結(jié)果顯示:Miller循環(huán)降低了壓縮行程的缸內(nèi)溫度，從而控制NOx排放。但當(dāng)該溫度過低時，預(yù)混合放熱量快速升高易導(dǎo)致柴油機工作粗暴。當(dāng)與原機進(jìn)氣門關(guān)閉時刻相對應(yīng)的缸內(nèi)溫度T580℃A＜(300-310K)臨界溫度范圍時，甚至發(fā)生失火現(xiàn)象。采用M50方案可在保證柴油機穩(wěn)定運行前提下，使NOx排放降低41％。適當(dāng)提高幾何壓縮比，配合噴油正時滯后可以使NOx排放降低幅度提高到50％以上。以此為基礎(chǔ)，增設(shè)EGR技術(shù)方案，模擬

7、分別保持原機進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣量不變兩種情況下，不同EGR率對燃燒與排放的影響。結(jié)果顯示:采用Miller循環(huán)技術(shù)后，再通入20％-30％的EGR廢氣可使NOx排放降低80％;保持進(jìn)氣壓力與原機一致時，油耗率升高4％;通過提高進(jìn)氣壓力，保持進(jìn)氣量與原機一致時，油耗率略有改善;在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高幾何壓縮比使soot排放相對原機下降7％，實現(xiàn)NOx和soot排放同步降低的目標(biāo)，并且油耗率降低4％。
　　基于240柴油機快速混合燃燒實驗研