【作者】

徐亮，杨培键，张飞

【摘要】

国际海事组织（IMO）提出了Tier III阶段严格限制由船用发动机产生的氮氧化物（NOx）排放。根据IMO Tier III要求，在排放控制区（ECA）中运行的船用发动机，在转速小于130r/min时，NOx排放量在3.4g/kW·h以内，与IMO Tier II相比减少了76％。NOx降低量超过了通过改善燃烧过程的优化幅度。因此需要“附加”技术，如废气再循环（EGR），它在车机降低NOx排放方面是一项非常成熟和有效的技术。EGR对船用发动机满足Tier III排放要求至关重要。它的工作原理是将一部分废气再循环回发动机气缸。有两种类型的EGR回路：高压EGR（HP-EGR）回路和低压EGR（LP-EGR）回路。HP-EGR将涡轮机前的废气引回压缩空气歧管；而在LP-EGR回路中，一部分涡轮后废气被引导到压缩机入口。MAN的二冲程船用柴油机使用HP-EGR作为达标Tier III要求的解决方案之一。3个主要机制导致EGR对柴油机燃烧特性和NOx排放产生影响：热机制，由于再循环废气在CO2和H2O浓度的增加，致使比热容增加，进而导致缸内温度下降；稀释机制，由于CO2和H2O的置换效应导致进气氧浓度降低，使缸内燃烧速度和温度降低；化学解离机理，解离燃烧过程中再循环的CO2和H2O，影响燃烧过程和NOx的形成。EGR主要通过降低缸内温度和氧浓度来减少NOx的形成。在本文中，使用三维流体动力学（3D-CFD）软件，通过分析不同的EGR率对额定工况的缸压、比消耗（SFOC）、NOx、Soot、HC和CO排放等，研究了EGR对大缸径二冲程船用柴油机性能和排放的影响。此外，通过3D-CFD仿真给出了等高线图和Φ-T图，分析了当量比、氧浓度、温度和温度分布对缸内燃烧过程中的排放。结果表明，EGR可以明显降低峰值压力和缸内温度，从而减少NOx的形成。从Φ-T中可以看到：当EGR率增加时，Φ-T运行边界向左移动、远离了NOx形成区域，这意味着峰值温度下降和NOx形成减少。在额定工况下，通过使用31％EGR，NOx排放量减少82.21％并达到IMO Tier III水平，同时SFOC增加9.6％，Soot、HC和CO排放分别增加81.7％，341.21％和93.66％。NOx排放与EGR率之间有一个反转S形关系，即当EGR率小于5％或大于35％，NOx排放的变化非常小。当EGR率为超过35％，即使SFOC持续上升，NOx排放也几乎没有变化。随着EGR率增加，总当量比的变化不明显，但在相同的曲柄转角下，由于Φ ∝F/A，最小当量比有小幅上升，进气稀释使A变小，因此Φ更大；由于空气比热容的上升引起压缩温度降低，进而导致燃烧温度急剧下降，使当量比接近1的点火区域缸内燃烧更加恶化；并且由于氧浓度的降低，导致燃烧率快速下降。从等高线图和Φ-T图中可以看出，基本方案中，峰值温度在15°CA ATDC处，缸内燃烧温度大多高于2200 K，同时形成大量的NOx，而当缸内EGR为30％时，燃烧温度很少在2125K以上，因此NOx排放迅速降低，缸内峰值温度也从2600 K降至2400 K。在基本方案中，曲轴转角为35°CA ATDC时，燃烧温度大多高于2200 K，有大量的NOx形成，而在30％EGR情况下，只有一小部分燃烧区域的峰值温度接近2125K，高温区域和峰值温度，即利于NOx生成的面积和数量，也随着EGR率的增加而急剧下降。

【会议名称】

第29届CIMAC会议

【会议地点】

加拿大 温哥华

【下载次数】

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