摘要
随着海洋环保意识加强，国际海事组织制定的船舶排放法规日趋严格。船用重油虽然价格低廉，但是由于组分复杂，芳香烃类含量高，已成为影响船用二冲程柴油机燃烧和排放性能的重要因素。为此，从重油燃料燃烧机理和燃烧新技术等方面入手，探索改善船用二冲程柴油机燃烧和排放性能的技术途径，研究成果对实现船舶低碳和低污染排放，具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文采用数值模拟和实验验证的方法，对船用重油燃料的化学反应机理和缸内燃烧与排放过程开展研究。首先，以船用重油的基础组分和热值相似作为参考指标，选取正庚烷作为重油组分中烷烃类替代组分，α-甲基萘作为芳香烃类替代组分，1-丁烯作为烯烃类替代组分。分别对于正庚烷和1-丁烯的详细机理，开展氧化路径和温度敏感性分析，使用DRG，DRGEP，DRGEPSA和FSSA的机理简化方法得到包含113个反应组分，618个基元反应的正庚烷简化机理和包含70种物质，456种基元反应的1-丁烯简化机理。开展点火延迟时间验证和反应组分浓度实验，经与详细机理对比验证，确保正庚烷和1-丁烯简化机理的准确性。在此基础上，耦合正庚烷，1-丁烯和α-甲基萘的简化机理，重新构建包含152种反应组分，772基元反应的船用重油替代物模型。并且对构建的重油替代物模型进行HCCL重油耦合机理温度压力曲线验证，最大误差1.5%，结果表明耦合的重油替代物模型可以描述燃烧过程中的温度压力等工况参数变化。 基于CONVERGE搭建船用二冲程柴油机三维网格模型，并导入重油替代物简化机理模型，完成缸内工作过程计算，经与实验数据对比，验证了该三维柴油机模型有效性。利用验证的模型开展船舶柴油机燃烧及排放规律的研究，结果表明，在一定范围内，随着EGR率增大，会使缸内含氧量降低，导致燃烧过程的温度压力下降，抑制了NOx生成，而碳烟的氧化效果减弱，造成soot排放升高；随着喷油过程的提前，使缸内油气混合更充分，缸内燃烧的温度和压力提高，soot排放会减小，而NOx含量会增加。本文开展EGR+喷油提前组合策略对柴油机工作过程的研究，即在-7.5deg+EGR15%时会优化缸内的燃烧状态，使缸内的爆发压力提高9.44%，NOx的排放降低了49.3%，soot的排放量也下降了1.4%。结合以上分析，使用EGR+喷油提前的策略，会优化缸内的燃烧状态，减小NOx和soot的生成排放，是一种优越的减排措施。
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