摘要
提高低速二冲程船用柴油机有效热效率对节约能源、降低温室气体排放及航运成本以及可持续发展具有重要的意义。由于缸内燃烧过程决定了柴油机燃烧和排放特性，因此燃烧方式的合理选择是实现高效清洁燃烧的关键。定容定压燃烧方式通过控制预混燃烧和扩散燃烧的比例，可以降低热损失与机械损失以及缸内最大爆压及温度，从而有效提高有效热效率并降低NOx排放，但目前关于该燃烧方式在船用低速机的研究少之又少。因此，本文利用仿真手段研究了船用低速机定容定压燃烧过程的燃烧特性与排放特性。 本文首先基于萨巴特循环，结合热损失及机械损失公式，建立零维仿真模型，利用实验缸压曲线及有效功率标定零维仿真模型，利用仿真模型分析定容燃烧比对缸压及热效率的影响规律，并确定340柴油机最大限制爆压对应的定容燃烧比，为后续三维仿真参数设置提供参考。其次建立并标定CFD原机模型，确定燃烧模型的相关参数；本文参考目前采用三个喷油器实现定容定压燃烧过程的研究，首先将原机模型的排气道进行了简化，并仿真计算气道结构对单排气阀模型燃烧过程的影响，保证进气量相同的条件下，原机单气阀仿真模型与简化排气道的仿真模型燃烧过程一致；在此基础上，将缸盖设计为四气阀并于缸盖中心增加一中央喷油器；为了验证所建立的三维模型的可行性，本文利用简化排气道模型扫气过程的计算结果标定了四气阀模型的扫气过程，并利用实验缸压曲线验证其燃烧过程。最后本文根据混合加热循环的计算结果，利用标定好的新模型实现了不同定容燃烧比的定容定压燃烧过程，并研究了压力比、喷油压力以及喷孔直径对燃烧特性及排放特性的影响规律。研究结果表明，随着压力比的增加，燃烧前中期缸内火焰分布面积增大，高温集中区增大，燃烧过程集中在上止点附近，有效热效率提高，NOx排放增加；随着喷射压力的增大，燃烧前中期缸内火焰分布更加广泛，高温集中区增加，热效率及NOx排放的整体变化趋势为增加；随着喷孔直径的增大，缸内火焰分布基本相同，但高温集中区域面积减小，热效率基本不变，NOx排放在高压力比条件下明显降低，低压力比条件下升高；喷射压力为120MPa，喷孔直径为0.8mm时对应的有效热效率最大，在最大限制压力条件，TierII条件下，最大有效热效率分别为49.6%，48.6%，分别高出实验有效热效率3.3%，2.3%。
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