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喷油特性对某船用低速柴油机性能的影响研究

朱明敏  
【摘要】:凭借较高的经济性与工作可靠性,低速二冲程柴油机已成为现代重要的船舶主推进动力源。由于能源的枯竭、国际相关排放法规日趋严苛,节能与减排已然成为船舶柴油机研究的重要课题。船用柴油发动机的动力性能和燃油经济性等受到诸多因素的影响,最终排放性能取决于燃烧程度的好与坏,而喷油(雾)特性对于柴油机整体燃烧过程有着决定性的影响。因此,本文依据真实试验平台所得关键数据,通过数值模拟的方法,研究船用柴油机喷油特性对整机综合性能的影响,优化、改善柴油机的燃烧过程,目的是有效降低柴油机有害物排放的同时又能满足其对动力性与经济性的要求。以某船用低速二冲程柴油机为研究对象,首先,建立由排气阀、气缸盖、气缸壁以及活塞所组成的封闭的燃烧室几何模型;然后,利用通用CFD流体模拟计算分析软件STAR-CD中的ES-ICE模块完成对所建模型面、体网格的划分,定义缸内动态网格及基础参数的设定,应用Pro-star进行前处理设置、计算和后处理工作;将仿真燃烧过程计算所获取的示功图、瞬时放热率曲线与试验数据进行比对,曲线吻合程度较高,最高燃烧压力、最大放热率相对误差率分别为0.84%和1.73%;同时将不同工况下仿真与试验所得NOX的加权平均值进行比对,二者变化趋势基本一致,可为实际NOX生成、排放总量提供一定的参考。应用多领域仿真软件AMESim建立高压油管、喷油器的一维系统计算模型,得到不同喷油规律的仿真曲线。根据一维整机性能仿真所得到的初始、边界条件,仿真分析了三种不同喷油规律(矩形、靴型与多次喷射)柴油机燃烧过程及排放的影响,结果表明:多次喷射使得NOX排放总量降低了近23.9%,做功能力下降3%,燃油消耗率略有升高。考虑柴油机综合性能,多次喷射策略是相对理想的喷油方案,为了改善由于多次喷射带来的做功能力下降等问题,需要调整并找到一个合理的喷油正时。对多次喷射的关键参数—预喷率、预/主喷间隔角进行单一变量因素的研究,结果发现:随着预喷率的增加,预/主喷间隔角的推迟,NOX排放与燃烧噪声显著下降,但同时带来柴油机做功能力的下降、油耗的升高,而预/主喷间隔角较预喷率对于柴油机综合性能的影响更为显著。为了寻获一个最佳组合,对预喷率和预/主喷间隔角进行正交化数值分析,优选出最适合本机型的多次喷射方案,即预喷率QPI=15%,预/主喷间隔角θ=3°CA,较原机型NOX排放降低了约17.2%,达到了既显著降低NOX排放与噪声,又保证柴油机动力性与经济性要求的目的。


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