满足船用柴油机Tier Ⅲ法规的技术路线研究

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1、天津大学硕士学位论文满足船用柴油机TierⅢ法规的技术路线研究NumericalStudyonLow-speedMarineDieselEnginetoMeetTierIIIRegulation学科专业：动力机械及工程研究生：刘屹清指导教师：王浒副教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要随着航运业的发展和环境污染的加剧，日益严苛的排放法规对船用柴油机NOx等污染物排放提出了越来越高的要求，船用柴油机未来的发展方向是在保持燃油经济性的同时满足日益严苛的排放法规。本文采用三维CFD数值模拟，系统开展了大型船用柴油机满足TierⅢ排放法规的燃烧技术路线研究。本文首先建立和

2、验证了大型船用柴油机的三维CFD模型。在此基础上，结合微遗传算法对发动机两个喷油器的喷射策略进行了多参数优化，得到了预喷结合顺序喷射的喷油策略，可在指示燃油消耗率增幅不大情况下显著降低NOx排放。在优化算例基础上进一步研究了大型船用柴油机各个喷油器预喷参数和顺序喷射对性能与排放的影响。研究结果表明，在采用顺序喷射前提下，顺序喷射间隔影响NOx和指示燃油消耗率，而第一个和第二个喷油器的预喷策略对大型船用柴油机的性能与排放有不同的影响：前者是预喷放热与主喷滞燃期缩短综合作用的结果，而后者主要是预喷放热自身的影响。在此基础上，结合米勒循环、高几何压缩比、EGR、进气加湿和缸内

3、喷水等策略探索了满足TierⅢ排放限值的技术路线。结果显示，通过推迟排气门关闭时刻，米勒循环可显著降低NOx排放，但进气充量减少，指示燃油消耗率有所增高；在米勒循环基础上提高几何压缩比，可在NOx排放增幅不大的显著降低指示燃油消耗率，为EGR的引入提供了空间；采用EGR与米勒循环及高几何压缩比相结合的控制策略，采用20%EGR即可满足TierⅢ排放标准，指示燃油消耗率仅增加5.7%。另一方面，进气加湿可通过增大比热容降低NOx排放，但进气加湿量受进气充量热力学状态影响，且燃油经济性显著恶化。缸内喷水可在显著降低NOx排放的同时降低指示燃油消耗率；采用高喷水压力、中等喷水

4、量、较早的喷水时刻结合小比例进气加湿，相比原机可在满足TierⅢ排放限值的同时降低1.2%的指示燃油消耗率。采用SCR可满足TierⅢ排放限值，但折合燃油消耗增加。本研究对于开发满足TierⅢ排放法规的燃烧技术路线具有一定的理论指导意义和实际应用价值。关键词：船用柴油机，喷油策略，遗传算法，燃烧优化，湿式燃烧IABSTRACTWiththedevelopmentofshippingindustryandthedepravationofenvironmentalpollution,stringentemissionregulationshavebeenproposedto

5、controlthepollutantsemissionsfrommarinedieselengines,withtheobjectiveofsimultaneouslyreducingboththeNOxemissionandbreakspecificfuelconsumption.Inthecurrentstudy,numericalinvestigationshavebeenconductedtodevelopcombustionsystemthatcouldmeettheTierⅢemissionregulationonalargeboretwostrokema

6、rinedieselengine.Firstly,athree-dimensionalCFDmodeloftheobjectivemarinedieselengineswasestablishedandvalidated.Amicro-geneticalgorithmwasappliedtooptimizetheinjectionstrategyofbothinjectors,andastrategyofpilotinjectioncoupledwithsequentialinjectionwasfoundtobeabletogreatlyreducetheNOxemi

7、ssionwithoutsignificantpenaltyinfuelconsumption.ItwasfoundthattheintervalbetweensequentialinjectionaffectsboththeNOxandfuelconsumption.Theeffectsofpilotinjectionparametersonemissionandperformancearedifferentbetweenthefirstandsecondinjectors:theformerismainlyduetothepiloth