当前随着双燃料发动机技术的发展，带来了一系列复杂的问题，这些问题无法仅依靠试验和测试技术解决。需要利用仿真的技术手段，建立一个快速且准确的仿真模型。出于这个目的，WinGD和Gamma公司合作开发了一种新型预燃室点燃气体发动机的仿真方法。这种仿真的主要目的是采用现有的燃烧预测模型来模拟大缸径二冲程双燃料发动机的燃烧过程。此外，其还需要表征预燃室点燃、缸内流动、火焰扩散、气体组分、压力和温度等物理现象对燃烧过程的影响。 本文基于WinGD的一台测试发动机的测试数据和几何结构信息，建立了缸压分析模型，用于研究主燃和预燃室燃烧，并拟合出放热率曲线。此后进行了燃烧模型的的选取与标定。燃烧模型的调整考虑了在极稀条件下的低层流火焰速度，充量分层，主燃烧室对预喷的正确反应等问题。 除了上述提及的燃烧模型，同时采用了GT-POWER软件中最新型的预燃室模型，在本文中揭示了未来潜在模型的发展方向，特别是对于预燃室预喷和混合气卷吸模型。本项研究的成果已经被部分应用于GT-POWER软件中，所以WinGD和Gamma公司在未来将会继续研究此项技术，例如在预燃室模型中预测核心部件温度时采用有限元分析的方法。

在目前海事部门对排放立法的讨论日益激烈的背景下，所谓的双燃料发动机概念是一种既能减少空气污染物又能同时保持高效率的可行办法。为了使这种燃烧过程得到最佳的利用，对喷油、混合气的形成和点火特性的深入了解必不可少。 共轨预喷喷油器是混合气形成和着火特性的一个重要方面。喷油器(卡车适用大小)的主要任务是喷入微预喷量的柴油进入燃烧室,促使均匀的天然气空气混合物的着火。喷油器在气缸盖内的位置至关重要。根据喷油器的位置，必须调整喷油器的外形，才能达到最大的燃烧室容积，从而实现最佳的燃烧性能。为此，本文对中速四冲程发动机进行了对比研究，考察了不同的喷油器位置，从而确定最佳位置。 本研究的主题是深受微预喷影响的着火和燃烧特性。描述燃烧特性的标准是燃烧中心和持续时间。其他重要参数包括爆震强度和失火——它们对燃烧稳定性、效率优化、燃料消耗和尾气排放都有重要影响。本文对氮氧化物的排放和甲烷的排放做了重点分析，因为它们都受到排放法规的限制，而且对温室效应有重大影响。 罗斯托克大学活塞机和内燃机研究所在喷射和混合气形成领域具有很强的专业知识，因为它配备了用于大口径喷油器的光学室和各种相同缸径的发动机试验台。因此，可以对喷射系统进行深入的描述，并可以解释在实际发动机上所测得的效果。 本文针对所研究的课题确定了最优实验结果，并提出了双燃料燃烧过程研究的展望。

随着页岩气的不断开发，将页岩气应用于气体发动机的要求持续增长。与传统管道气体相比，页岩气的组成更为复杂，这将导致非预混燃烧气体燃料发动机中的不正常燃烧，如爆震和提前点火。预测和避免非正常燃烧可以改善气体发动机的可靠性并提高热效率。然而，对类似页岩气般组成复杂的气体燃料，可预测其在发动机中非正常燃烧的方法仍未得到开发。因此，与传统燃料相比，复杂燃料在发动机中的燃烧特性得不到充分评估。 因此，本文分析了燃料组分构成和混合比例对着火延迟的影响，并对利用着火延迟预测复杂燃料在发动机中发生爆震可能性的预测方法进行了介绍。 本文中复杂气体的着火延迟通过快速压缩机（RCM）测得。结果表明，与传统燃料相比，复杂气体的着火延迟与甲烷数间的相关性较小。其中，正戊烷对缩短其着火延迟具有最显著的影响。另外，丙烷和丁烷在缩短着火延迟方面表现出相同的趋势。这意味着这些碳氢化合物将会增加发动机发生爆震的可能性。另一方面，尽管一般情况下甲烷数下降会使着火延迟减小，但乙烷的添加却会使混和气的着火延迟增大。这一现象可在低温工况且燃料包含一定比例的C3H8或大分子碳氢化合物时观察到。因此，本文利用化学反应动力学分析方法，研究了乙烷对燃料着火延迟的影响。在低温工况，对包含大分子碳氢化合物的燃料，反应路径分析结果表明，增加乙烷会减少H2O2的生成，这会引起着火延迟增大。因此，包含乙烷的复杂气体会降低发动机发生爆震的可能性。 利用试验结果和化学反应动力学分析数据，本文构建了相应的预测模型。通过输入气体燃料的化学组成和构成比例，以及温度、压力和当量比等参数，即可用预测模型计算相应工况的着火延迟。基于阿伦尼乌斯公式和对数据的多元回归分析，本研究得到了相应的拟合方程，从而实现对模拟和试验结果间偏差的修正。由于RCM测量工况范围的限制，燃料在高温高压时的着火延迟均由该拟合公式计算得到。考虑复杂气体的组成及温度压力当量比等工况参数，经深度学习本文采用神经网络预测燃料的着火延迟。该计算模型可准确计算燃料的着火延迟，并通过Livengood-Wu积分实现对爆震可能性的预测。

随着船用柴油机指标的越来越高，缸内零部件的热负荷将越来越高，柴油机的可靠性将面临越来越高的考验，船用柴油机缸内热负荷设计不合理容易导致如活塞、气缸盖、气缸套等受热零部件开裂失效，严重时甚至拉缸，直接影响柴油机的可靠性。通常是通过对冷却系统的结构及参数进行优化来降低热负荷风险，但缸内燃烧作为产热源，是零部件热负荷情况的根本来源。通过燃烧系统参数优化设计，可以对柴油机缸内热负荷进行合理分配，从而提高柴油机的可靠性。 本文通过缸内喷雾及燃烧三维仿真计算及相关试验，研究不同燃烧系统参数对缸内零部件热负荷的影响规律，首先通过单缸机试验进行缸内零部件关键点的温度场测试，包括缸盖鼻梁区、排气阀、活塞顶面及缸套等。得到不同燃烧系统下的温度场试验结果，同时进行缸内CFD仿真计算分析，尝试在温度场测试结果与仿真结果之间建立联系，并明确热负荷燃烧仿真评价参数。 基于定义后的燃烧热负荷评价参数，通过仿真方法，详细分析了不同燃烧系统参数对热负荷的影响。主要研究了活塞顶及喷孔两方面燃烧系统参数对缸盖、缸套及活塞3个缸内零部件热负荷的影响。研究结果表明，在活塞顶参数中，口径比较敞口角对零部件热负荷的影响较大；在喷孔参数中，相较其他参数，喷油夹角对缸内热负荷分布具有重要影响；对缸盖及缸套热负荷影响最大的是喷油夹角，对活塞热负荷影响最大的是活塞顶口径比。本文研究为实际柴油机的热负荷设计及优化奠定基础。

随着船用发动机排放法规越来越严苛，迫切需求发展高效率、清洁燃烧技术，尤其是能够实现Tier III标准的低NOx排放燃烧技术。本文针对油-气混合气对一台配备两个对置喷油器的二冲程船用柴油机燃烧及排放影响开展研究，本研究基于CFD仿真软件Converge，其中燃油分布通过改变喷射角度实现，气体流动通过改变换气口几何形状改变。缸内混合、燃烧过程通过一个全面的图片呈现，并分析了水平涡流和滚流情况。结果表明，在涡流区，适当的涡流比可使混合气更均匀，有利于减少燃油消耗率，但NOx排放减少不明显；喷射角度对燃油消耗率的影响不是单调的，与涡流平面角度大约10°左右时，可最大化利用缸内空气，而喷射越顺应涡流，NOx排放越少。另一方面，喷射方向与滚流平面的角度也对油气混合有重要影响，喷射方向与活塞顶面呈15°夹角时，可以实现最佳的燃烧和排放。此外，为了同时提升油耗和NOx排放，换气口和喷射角度需同时调整，结果表明通过优化油气混合可在不恶化油耗的前提下有相当大的潜力减少NOx排放。

为满足更加严格的排放法规，以及降低运行费用的需求，天然气-柴油双燃料发动机在船舶推进与电站领域的应用越来越多。先进的燃烧技术，例如双燃料气体替代技术、低温燃烧技术、HCCI、RCCI等，已经显示出同时满足高效率和低排放的潜力。然而，由于气缸最大爆压与燃烧速率的限制，其不能应用于高负荷工况。为了解决DFGS与RCCI技术应用在高负荷工况中所面临的问题，本文开发了一种适用于灵活燃料发动机不同负荷下的多阶段可控燃烧策略。基于缸压的燃烧反馈技术和实时的燃烧控制技术是实现多阶段可控燃烧技术的重要措施，其可以在有限时间内通过多次喷射与进气道喷气技术塑造燃烧速率。本文揭示了气柴双燃料发动机采用降低排放RCCI技术的研究方向，同时提出了一种克服RCCI技术无法在高负荷工况运用的多阶段可控燃烧策略。

当今大多数大缸径燃气发动机都采用稀薄燃烧技术，可以使发动机在不进行排放后处理的情况下满足NOx排放限值。未来的排放法规要求更低的NOx排放，为实现该目标，从机内措施需要更稀薄的混合气及更高的EGR率。废气后处理增加了发动机的尺寸，并且更大的空间需求也需要更多的功率输出。高的功率、稀薄混合气和高的EGR率都对混合物的点火提出了要求。 本文比较了应用于大型发动机的三种不同方式（火花点火、激光点火、和柴油引燃点火）的潜力。首先，通过点火能量及温度，湍流及相互间随机影响的理论对三种点燃方式进行基本概念的比较。 基于单缸机试验结果，对比了点火方式对效率和排放的影响。此外，还评估了点火方式对循环波动的影响。在对比点火系统时，尽可能将研究方案的边界条件设置为相同的值。 最后，基于三维CFD模拟进一步分析测量结果。基于之前研究中久经验证的模型来计算点火、火焰发展和燃烧的过程。对于火花点火的建模，使用球形点火模型，该模型是在点火系统中能量聚集时间内定义火花塞处的初始火核。激光点火使用的点火模型是通过燃烧室内的球体表示形成的初始火焰核。球体大小由详细的等离子体模型决定，该模型用于由聚焦激光束瞬时释放能量产生的冲击波。对于柴油引燃方式使用详细的化学反应机制来获得点火延迟值。将这些模型与提供所需湍流值的三维CFD模拟结合。研究每种点火方式对缸内燃烧放热及初始火焰前锋面演变的影响。

摘要:在过去数年,开展了许多关于道路和非道路柴油机的颗粒减排研究，如重卡、轿车、轨道交通、建筑机械、电力机械等等。在全球范围内，国际航运对PM排放的贡献量很小，但船用柴油机的微粒排放量逐年递增，这些微粒排放加剧了滨海附近居民的健康风险。尽管相关排放特性对于构建排放控制策略相当重要，但是关于燃烧重油的船用柴油机颗粒排放研究很少。例如，对于低速船用柴油机碳烟颗粒形态和纳米结构的了解几乎是空白，但其相关信息对于了解缸内碳烟颗粒形成过程及开发有效微粒后处理体系很重要。 本文中涉及的排气样本来自一台燃烧重油的低速二冲程高压共轨船用柴油机(缸径350mm,冲程1550mm)，在转速142rpm、90%负荷工况下的排气管处的尾气。文中研究了排气微粒样本的化学组成及反应、微粒尺寸分布、形态及纳米结构。实验数据显示，排放微粒样本中各元素质量比C:H:O:S为6.8:1:3.4:1.4，通过核磁共振检测显示芳香类物质与脂质物质质量比为1:15。热重分析显示该低速柴油机排放微粒样本中SOF所占比重高于相关文献中高速轻质燃油柴油机。基于热泳抽样方法使用透射电镜研究低速柴油机排气中的碳烟原生颗粒形态及微观结构：碳烟颗粒回转半径、直径和晶格条纹曲率分布区间很广，并且上述参数的平均值均高于文献中高速轻质燃油柴油机。相较于高速柴油机，低速柴油机排气微粒样本中的许多大的类液态微粒包含不成熟和成熟碳烟颗粒显示了碳烟微粒不同的生成机理。研究结果可为低速船用柴油机构建微粒排放控制策略提供重要参考。

摘要:本文对针对上海外高桥港口一艘拖轮主机的颗粒物和颗粒数量的排放特性研究进行报告。结果显示，在加载和降载工况下，颗粒物排放(PM)及颗粒数量排放(PN)有明显变化。在急加载工况下，颗粒物排放(PM)及颗粒数量排放(PN)分别达到最高值43.45mg/m3和7.39E6/cm3。由于运行工况不同，直径小于0.1um的超细微颗粒数量占总微颗粒数量的比例在47%～61%范围变化。从微粒质量看，粗粒级微粒（PM2.5～10）在总微粒中占比最大，约65%～68%，与此同时PM 0.1～2.5占比31%～34%。在循环测试中，PM在3.42g/km至96.92g/km范围内变化，颗粒数量排放PN在6.76E14/ km至1.64E16/ km范围内变化。在急加载工况下，颗粒物排放(PM)及颗粒数量排放(PN)的排放最高。数据采集自便携式排放检测系统，测试数据与实际排放数据进行比对和修正以提高测试精度。

摘要:Anglo Belgian 公司在研发和制造中速机上有超过100年的经验。当前，柴油机面临诸多压力,尽管如此，由于柴油机高功率密度、低成本和高效率，Anglo Belgian 公司相信在中速柴油机的进一步投入依旧很重要。与100年前不同，如今焦点不只集中在柴油机可靠性和低燃油消耗，还聚焦于排放特性。 国际海事组织（IMO）的相关法规推动中速柴油机在清洁动力技术的突破。例如，采用SCR系统可满足IMO Tier III，同样的应用洗涤塔和双燃料来满足IMO’s 2020的限硫令。然而并没有IMO法规迫使中速柴油机在DPF进行技术突破。难道这意味着DPF在中速柴油机上将没有技术突破吗？ 目前主要在非道路移动机械装置（NRMM）方面使用DPF装置以满足诸如“欧五”的排放法规。 初步估计需要强制满足法规的中速柴油机数量相当低，主要是内河上的大功率船舶发动机。尽管在NRMM应用数量比较少，但是在近海区、排放控制区、低排放区和无碳烟排放区具有一定市场。例如海港船、挖泥船、巡航船、摆渡船等。 基于上述信息，DPF系统在中速发动机上的应用需求已清晰。 在对发动机颗粒排放研究和全方位测量过程中发现，重要之处不只在已有的排气后处理系统中安装DPF，还在于队发动机和排气后处理系统的协同工作进行智能化设计，从而实现终端应用。这将带来更小的安装空间，更低的维护费用，更好的经济性。 本文将展示不同发动机配置的排放结果。该部分展示了不同发动机配置对NOx、微粒质量、微粒数量、微粒组成和微粒分布的影响。该研究不只在发动机静态稳定工况开展，同时也在瞬态工况进行。 此外，还讨论了排气后处理系统优化布置。我们着眼于以ABC 公司提供兼顾IMO Tier III和EU-V法规要求，以及布置灵活性的排气后处理解决方案。 最后，需要强调下相关事项，包含低SAPS润滑油的使用、燃油质量、元器件降噪处理和其他影响微粒测量的重要注意事项。