中速柴油机重油燃烧过程分析

【摘要】发动机的缸内燃烧过程是关系到其动力性、经济性以及排放性的重要因素。随着燃油价格的不断上涨和排放法规的日益严苛，深入了解发动机燃烧过程显得尤为重要。目前，对柴油机的燃烧和排放物生成的研究中，主要以高速柴油机为主，针对中低速、大功率船用柴油机的研究还很少，对于燃用重油的中速柴油机的研究就更少了。故本文针对燃用重油中速柴油机DN8340的燃烧过程进行分析，尝试研究不同参数对中速柴油机燃烧、排放特性的影响。由于试验条件的限制，无法对缸内温度场，浓度场与NOx生成区域等实际状态进行研究，故借助奥地利AVL公司的FIRE软件，对其燃烧过程进行数值模拟。本文在LabVIEW平台上搭建了一套柴油机监控系统，以实现方便快捷的对柴油机的工作过程进行监控、数据采集和处理，其过程包括试验方法与方案的确定，硬件建设和软件建设。并对实测数据进行处理和计算得到示功图和燃烧放热率，为后续建立数值计算模型提供初始条件和验证依据。利用FIRE的ESE-Diesel模块对DN8340柴油机的燃烧室进行几何建模和网格划分，模拟了进气门关闭时刻到排气门开启时间段缸内的燃烧过程，对仿真结果与柴油机监控系统试验值进行对比分析，验证模型的准确性，并对DN8340在额定转速（650r/min）工况下的缸内压力、温度、排放物浓度、缸内喷雾流场和NOx浓度场等进行了研究。研究结果表明：额定转速下，缸内最大爆压为17.57MPa，大约发生在10°CAATDC；缸内最高燃烧温度为2008K，大约发生在21°CAATDC，燃油在8°CABTDC时刻大量放热，使缸内温度急剧升高。NOx生成大部分集中在上止点后25°CA，其生成量约占缸内工质质量的0.12%，且主要生成区域为混合气充足、高温富氧的燃烧室边缘。随着缸内温度下降，会出现NOx生成“冻结”的现象，缸内NOx的浓度保持不变。碳烟的生成是先生产后氧化的，在708°CABTDC时开始生成，在8°CABTDC处达到最大值，之后逐渐减小。在此基础上研究了喷油提前角和进气温度对DN8340燃烧过程的影响，并对DN8340柴油机进行参数优化。研究表明:喷油提前角增大有利于燃油与缸内空气充分混合，缸内压力、温度都有所提高，燃烧效率提高。但是，这也为在高温富氧环境下生成的NOx的生成提供了条件，NOx生成量随之增加。进气温度的提高，有利于燃油雾化，油束前端产生大量可燃混合气，在高温压缩空气作用下提前引燃。进气温度升高导致进入缸内新鲜空气量减少，燃烧质量降低，缸内压力下降。此外，缸内温度提高，NOx生成量增加。同时将喷油提前角调整为7°CA，进气温度调整为40℃，燃烧始点滞后，燃烧较为平稳，最大爆发压力和缸内燃烧温度降低，NOx排放降低至1.9g/kWh，满足IMOTierⅢ的排放限值。
【作者】颜金龙；
【导师】刘忠民；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】柴油机；燃烧模拟；喷油提前角；进气温度；

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