高速船用柴油机预混合燃烧可控性研究

• 作 者: 田华
• 机 构: 大连理工大学
• 出 处: 大连理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 高速船用柴油机

预混合压燃发动机采用稀薄预混合气低温燃烧，能够实现低氮氧化物(NOx)和碳烟(Soot)排放，同时具有高热效率，因此得到了广泛而深入的研究。预混合压燃发动机的技术难点包括，预混合气的制备（特别是对于较难蒸发的柴油类燃料）、着火正时的稳健控制和工况范围的拓展。其中，着火正时的稳健控制最关键。稀薄均匀预混合气制备需要足够长的燃料和空气混合时间，使得燃料供给与着火正时关联性降低。由于预混合气稀薄的特点，火花塞等传统点火装置不能有效控制着火正时。
　　为了解决预混合压燃发动机着火正时控制的难题，提出了射流控制压燃(JCCI:Jet Controlled Compression Ignition)技术。JCCI发动机在缸盖中设置小容积点火室，其中供给气体燃料并用火花塞点燃，由点火室喷出的高温射流能有效控制主燃室中稀薄柴油预混合气的着火相位。JCCI技术在船用双燃料高速发动机上应用较为适合。本文将一台船用高速柴油机改装为JCCI样机，基于此样机开展试验和模拟研究。台架试验表明:JCCI燃烧模式下，燃烧相位与火花塞点火正时紧密相关。中低负荷下，高至80℃的歧管进气温度不会导致预混合燃烧失控。早于上止点前70℃A的柴油喷射正时对燃烧相位基本没有影响，但较晚的柴油喷射会降低预混合气均匀性并增加NOx排放和鸣震（Ringing）倾向。加入废气再循环(EGR)能降低燃烧速率和鸣震强度，并进一步减少NOx生成。样机在E3循环工况4、工况3和工况2（25％负荷、50％负荷和75％负荷）下实现了JCCI燃烧。由于EGR率不足，工况1（100％负荷）下的预混合燃烧不受射流控制。通过采用预混合燃烧，样机实现了E3循环加权NOx原排放满足IMO TierⅢ限值，而且燃油消耗率低于原柴油机。
　　对JCCI燃烧进行了三维模拟，揭示了它的三阶段放热特性。在压缩行程中，主燃室柴油预混合气发生低温反应，形成第一阶段放热，生成了过氧化氢(H2O2)并累积。点火室内天然气混合气被火花塞点燃，形成的高温射流引燃主燃室内的部分柴油预混合气，形成第二阶段放热。缸内温度升高使H2O2快速分解为OH，触发剩余柴油预混合气自燃，形成第三阶段放热。局部浓柴油预混合气燃烧是生成NOx的重要来源。为了进一步降低NOx排放和提高热效率，提出了新JCCI燃烧概念，即用点火室射流控制混入柴油的稀薄天然气预混合气燃烧。对柴油和天然气预混火焰以及新JCCI燃烧的三维模拟表明，天然气预混合气中加入适量柴油能够提高燃烧速率和稀燃极限，从而提高发动机热效率并降低NOx、HC和CO排放。中等负荷下，优化参数的新JCCI燃烧达到指示热效率51％，NOx指示比排放0.7g/kWh。高空燃比下的NOx主要由点火室内燃烧生成。