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中速四冲程船用氢气发动机燃料喷射及燃烧系统优化模拟研究

孙洪杰  
【摘要】:作为全球最主要的动力系统之一,内燃机在每年为世界贡献了25%的动力输出的同时,也造成了全球约10%的温室气体排放。随着国际海事组织第三阶段排放法规(IMO TierⅢ)的实施以及海运温室气体初步减排战略的提出,降低船舶发动机的有害排放和温室气体排放成为众多研究机构所面临首要工程问题。采用可再生能源制取的氢气是目前在其全生命周期内碳排放最低的燃料,同时,采用预混合燃烧模式的氢气发动机可在无尾气后处理装置的条件下满足IMO TierⅢ排放法规。然而船用发动机燃用氢气的难度相当大。由于氢气点火能量低、燃烧速率快,氢气发动机容易发生异常燃烧。船用机缸径大、平均有效压力高、转速低,这些特点又会加剧异常燃烧。受到异常燃烧问题的限制,船用氢气发动机的研究才刚刚起步。本文在某型号中速柴油机的基础上,对其燃料喷射系统以及燃烧系统参数进行了设计优化,将其改造成缸内直喷预混合燃烧模式氢气发动机,探究了各参数对发动机工作性能的影响,并提出了一种降维式的优化方法,为相似机型的设计和优化提供了借鉴经验。论文以某型中速四冲程船用柴油发动机为研究基础,采用一维模拟软件GT-Power和三维模拟软件Converge分别建立了该柴油机的一维和三维数值模拟模型,根据实验数据完成了原机100%负荷工况的标定,并在此基础上完成了氢气发动机的设计优化。将氢气喷射持续期、喷射压力以及喷阀孔径三个因素降维成缸内平均湍动能和氢气喷射贯穿距两个因素,并探究了各因素对燃空混合特性的作用规律,完成了对氢气机燃料喷射系统的多元优化,确保了缸内燃空混合均匀性以及预混合气的高效稀薄燃烧。然后从火花塞位置、点火能量、燃空当量比以及点火时刻等方面完成了氢气机燃烧系统参数的优化,探究了各个因素对发动机工作性能的影响。结果显示:与原柴油机相比,最终优化完成的氢气发动机可实现NO_X减排80%以上,可在没有后处理装置的条件下满足IMO TierⅢ排放法规,但动力性有所下降。


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