船舶低速柴油机低温燃烧技术研究Word格式文档下载.docx
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目 录
一、引言...............................................................................................................................................2
二、船舶低速柴油机低温燃烧的研究现状
2.1国内船舶低速柴油机低温燃烧的研究现状..........................................................................3
2.2国外船舶低速柴油机低温燃烧的研究现状..........................................................................3
三、各项低温燃烧技术在船舶低速柴油机上应用分析
3.1使用在线乳化技术实现船舶低温柴油机低温燃烧研究.....................................................5
3.1.1不同的掺水方式对经济性和排放性产生的影响.......................................................5
3.1.2对燃油消耗率产生影响的三种掺水方式的...............................................................6
3.2EGR率对船用低速柴油机低温燃烧滞燃期影响的试验研究..............................................6
3.3进气氧浓度对船用低速柴油机低温燃烧影响的试验研究.................................................8
3.4正丁醇对船用低速柴油机低温燃烧和排放的影响.............................................................9
3.4.1正丁醇对船用低速柴油机低温燃烧特性的影响.......................................................9
3.4.2排放分析.......................................................................................................................11
3.5不同进气压力对高密度-低温柴油机燃烧的影响...............................................................11
四、结论...............................................................................................................................................14
参考文献...............................................................................................................................................15
致谢.......................................................................................................................................................17
附录.......................................................................................................................................................18
船用低速柴油机低温燃烧技术研究
摘要
【摘要】为了适应当今社会的技术和生产的需要，对船用低速柴油机的低温燃烧技术的研究非常有必要的。
目前，国内外对船用低速柴油机低温燃烧技术的研究也并不多。
船舶柴油机燃烧的污染物排放，主要是由于高温和富氧导致燃烧温度升高，燃烧温度达到污染物大量生产的区域。
因此，为降低污染物的排放，可以用降低燃烧温度的方法，也就是船舶低速柴油机的低温燃烧技术。
本文主要分析了柴油机内部结构以及外部条件对船舶柴油机低温燃烧的影响，内部结构，主要是考虑了喷油定时和压缩率；
外部条件主要是指燃料掺混和进氧浓度。
【关键词】船舶柴油机；
低温燃烧；
排放。
Lowspeedmarinedieselenginelowtemperaturecombustiontechnologyresearch
Abstract
【ABSTRACT】Inordertoadapttotoday'
ssocialtechnologyandrequirementofproduction,themarinelowspeeddieselenginelowtemperaturecombustiontechnologyresearchisverynecessary.Atpresent,domesticandforeigntothemarinelowspeeddieselenginelowtemperaturecombustiontechnologyresearchisnotmuch.Marinedieselenginecombustionemissionsofpollutants,mainlyduetohightemperatureandoxygenenrichedair.Therefore,inordertoreducetheemissionofpollutants,canbeusedtolowerthecombustiontemperaturemethod,namelylowspeedmarinedieselengineatlowtemperaturecombustiontechnology.Thispaperistheanalysisofthedieselinternalstructureandexternalconditionsonshipdieselenginelowtemperaturecombustioneffect.Inthispaper,theinternalstructure,mainlyonaccountofthefuelinjectiontimingandcompressionratio;
externalconditionsmainlyreferstothefuelmixingandoxygenconcentration.
【KEYWORDS】Marinedieselengine;
Lowtemperaturecombustion;
Emission.
一、引言
近年来，世界各国对自然环境的保护都采取了不同措施，其中提出最多的就是“节能减排”。
在排放的污染物当中，船舶机械污染物的排放也占了相当大的比率，特别是船舶柴油机NOx的排放对环境的污染和破坏是非常严重的，因此，降低船舶柴油机污染物排放的研究是非常有必要的。
为了满足越来越严格的国际法规，对排放的级数要求也越来越严格。
因此，船舶低温燃烧技术的研究会成为“节能减排”的一条新道路。
NOx的生成，主要是由于燃烧温度达到污染物大量生成的区域。
因此在船舶柴油机上降低NOx的排放，主要采取的措施是减小氧气浓度和降低燃烧温度，而在船舶上常用的技术就是低温燃烧。
如图1所示，船舶柴油机的碳烟和NOx的主要是温度在大于1500K时生成的[1]，但是，如果在船舶柴油机上采用低温燃烧模式，则可以避开这些污染物的生成区域。
图1船舶低速柴油机污染物的生成区域
由此可见，低温燃烧模式是现在同时降低柴油机的碳烟和NOx生成的一种非常有潜力的策略。
通过优化EGR率，喷油定时、压缩比率、进气的温度、进气的压力以及喷射压力和涡流比等参数，船舶柴油机的燃烧路径是完全可以避开NOx和碳烟的生成区域的，从而能达到清洁燃烧的目的，比如均质压燃燃烧、混合气无烟燃烧和部分预混燃烧等常用的几种燃烧方式。
但是，由于大量废气再循环的使用和喷油时刻的推迟可能带来烃类以及一氧化碳等排放量和燃油消耗率上升等问题，并且使其局限在中小负荷运行。
二、船用低速柴油机低温燃烧技术的研究现状
为了达到现代保护环境的排放指标，近年来国内外学者都对船舶低速柴油机降低NOx以及微粒排放的新燃烧方式开展广泛研究，提出了不同新型柴油机燃烧方式。
比较有代表性的有均质压燃、预混压燃以及低温燃烧等．这些燃烧方式的相同特征是通过喷射油控制缸内混合燃气浓度分布，废气再循环来控制缸内燃烧温度和高压喷油增加燃油混合速度、EGR延长滞燃期来实现大比例预混合燃烧等。
在柴油机新的燃烧方式中，低温燃烧【Lowtemperaturecombustion，LTC】是一种有潜力的燃烧新型技术，它可以同时降低柴油机NOx和碳烟排放量，低温燃烧同时也是近年来柴油机燃烧研究中的热点。
图2不同因素对船舶低速柴油机排放的影响
2.1国内船舶低速柴油机低温燃烧的研究现状
目前，国内对低速船舶柴油机低温燃烧主要研究的模式可以分为两大类：
第一类是着火时刻和喷射时刻没有关系的，是完全由化学反应的动力学而决定。
第二类，燃烧相位控制跟喷油时刻耦合的。
第一类燃烧系统中，混合燃料与空气通常已经进行充分预混合，所以，着火开始时刻与混合气近似于均质，并且各处的当量比都是小于1的。
当当量比非常低时，即小于0．5或者相对于高当量比的混合气而采用废气再循环，这都可达到有效较低的混合燃烧温度的目的。
对于第二类系统来说，喷油时刻与着火开始之间的时刻之间的时间间隔是非常短的，由于这个原因，是不能实现充分的预混合，在着火的开始时刻，许多区域的当量比仍然是大于1的。
因此，在大部分热量释放出来的同时油气依然在混合状态，这时的最高燃烧温度是接近于理论空燃比条件下绝热火焰温度的。
此时，通常采用较低压缩比，大量的冷EGR和推迟喷油时刻等等方式来抑制火焰温度升高。
2.2国外船舶低速柴油机低温燃烧的研究现.状
国内外现在对低速船舶柴油机低温燃烧的研究并不是很多，近年来，国外十分重视柴油机新型高效清洁燃烧方式的研究，提出来多种柴油机新的燃烧方式。
比如说均值压燃，预混合压燃和分层压燃等等。
这些新的燃烧方式都是有自身局限性的：
比如均值压燃和预混合压燃职能解决中小负荷问题，而且还会导致CO2的排放量增加。
分层压燃可以降低CO2的排放量，但是分层会导致NOx的排放量急剧增大。
就目前的国外的水平来看，对低温燃烧技术的研究，主要是研究压缩率，燃料的十六烷值，进气压力，在线乳化技术等对船舶柴油机低温燃烧的影响，其次还有是通过排气再循环（EGR，ExhaustGasRecirculation）技术来实现船舶柴油机低温燃烧的。
对于排气再循环（EGR，ExhaustGasRecirculation）技术，NOx的产生，主要是由于高温和富氧，因此空气或者排气稀释后的混合气体使燃烧温度降低，实现低温燃烧，从而减少NOx的排放。
三、各项低温燃烧技术在船舶低速柴油机上的应用分析
低温燃烧技术在船舶应用，主要为了降低污染物的排放。
而要降低污染物的排放，目前比较有效的方法之一就是在船舶柴油机上使用低温燃烧技术。
在柴油中掺水，能有效吸收燃烧相当部分的燃烧热量；
将燃烧废气返引入燃烧室，即EGR技术，也能降低燃烧温度；
将进气氧浓度降低，使燃烧滞燃期延后，降低放热效率，降低燃烧温度；
在燃油中加入正丁醇，由于正丁醇中含有氧，燃烧温度要回降低；
增加进气压力，也能带走更多的热量，实现低温燃烧。
下面，我们讲详细分析这几种技术在船舶柴油机上的应用，并跟各种低温燃烧技术的原理，分析其在船舶低速柴油机上的可行性。
3.1使用在线乳化技术实现船舶低温柴油机低温燃烧研究
根据许锋等人的研究，在自制在线乳化装置的使用中，为了能探索出在不同负荷下掺水比对NOx及碳烟排放和燃油耗率、燃烧特性的影响，在单缸的试验机上进行了在线乳化台架的试验；
性能对比试验是在相同掺水比下进行了与进气道喷水、乳化柴油的方式。
由于水的比热容比较大，在燃烧过程中吸收燃烧的部分热量，使燃烧温度降低，从而实现了船舶柴油机的低温燃烧。
许锋,杨定国,潘贵成等人做的实验[2]表明：
同样效果的有在线乳化具有与乳化柴油的方式，并且可获得NOx和燃油耗率、碳烟排放的同时降低了它的综合性能。
主要的是生成条件是高温和富氧柴油机排气中NOx，主要是高温和缺氧使碳烟生成。
能同时抑制NOx和碳烟排放的是低温火焰燃烧。
排气再循环（EGR）技术被国外降低NOx普遍采用，使氧气的浓度下降，是排气对进气的稀释作用。
因为燃烧反应的速率减缓，会使气缸内的燃烧温度降低，因此NOx排放会明显降低。
由于EGR率须减少是高负荷的时候，否则碳烟排放大会在线乳化的方法上探索了掺水比对燃油耗率、燃烧特性及碳烟和NOx排放的影响规律。
3.1.1不同的掺水方式对经济性和排放性的影响
影响掺水方式的重要因素是性能和排放，这个研究是对三种掺水方式各进行了负荷特性的对比试验，分别是在线乳化和进气道喷水、乳化柴油。
图3三种掺水方式对排放的影响
3.1.2对燃油消耗率产生影响影响掺水方式的三种方法
油耗率的负荷特性有三种掺水方式的比较可以看出掺水后油耗率都会降低。
能够相复合的是和乳化柴油是燃油和水乳化态和在线乳化方式这三种，喷雾油粒是呈油包水（W／O）态的，所以能看出两者燃烧的特性是相近的，但是在不同的负荷下油耗率相差甚小。
因为进气道的喷水方式是含水汽的空气以及油气相互混合的，在燃烧中轻微爆炸的作用很小，主燃烧期就会缩短。
如果进气道喷出的水有附壁损失就会影响到热效率。
所以乳化柴油和在线乳化燃烧方式就要低于进气道的喷水方式油耗率于。
三种不同的掺水方式对NOx排放都是有改善的。
乳化柴油以及在线乳化方式降低NOx明显是在低负荷的时候。
在较高负荷时，乳化柴油以及进气道喷水方式效果都较好。
但是对于全工况下来说，乳化柴油可降低NOx效果明显最高可达50％。
三种不同的掺水方式都对降低碳烟排量放都有明显效果的，但都是在低负荷的时候。
反之效果较明显。
在线乳化方式的碳烟可降低约73％，这主要是由于减少了后燃，降低了燃烧温度。
最后我们能得出：
a．柴油机的掺水技术在延长了着火点滞燃期起到控制着火点在行程上止点之后，才能使柴油机燃烧温度降低，最后可获得NOx和碳烟排放，同时达到燃油耗率降低的明显效果。
b．在线乳化方式以及乳化柴油方式有着同样的效果，能够实现在不同的负荷掺水比率自动调节。
c．影响柴油耗率和排放的最主要因素是掺水比率，在不同的负荷下最佳的掺水比也不同。
同时低负荷掺水比不能大于20％，高较负荷掺水比不能小于25％。
最好的综合性能指标是这样获取的，否则我们用在线乳化实现了船舶柴油机的低温燃烧技术，但是会降低船舶柴油机的经济性能。
3.2EGR率对船用低速柴油机低温燃烧滞燃期影响的试验研究
使用EGR率来降低燃烧温度，其主要原理是通过废气的返回到汽缸，这样能降低汽缸的燃烧温度，实现低温燃烧；
其次废气中含有的助燃物比较少，不利于气缸内的燃烧，或者说是延长了滞燃期，降低了燃烧的剧烈程度，也能降低燃烧温度，实现船舶柴油机的低温燃烧。
图4晚喷射EGR率对缸内压力和放热效率的影响
根据过去理论及经验用缸内压力求得[3]:
缸内的放热和平均温度的规律。
分析了，排气系统的02体积分数、喷油始点和终点的温度、燃烧始点、压力对晚喷射和低温燃烧早喷射的两种情况下滞燃期的所有影响，早喷射和晚喷射都一样的随着废气的再循环（EGR）率的增大因而延长了滞燃期。
晚喷射的滞燃期要早于早喷射的滞燃期，所以为了能够让空气与燃油有更多的时间来混合，晚喷射不比早喷射需要更大的EGR率。
但是，随着大量的EGR加入，过量的空气系数就不能反映混合气中的O2体积分数，所以表明能混合气温度与滞燃期、压力和O2体积分数有关，在能够影响低温燃烧滞燃期的所有因素当中，温度对滞燃期的影响是最为明显的。
排放法规的日益严格，使得人们在不断的探索新的燃烧方式，在不断探索的新燃烧技术当中，柴油机在低温燃烧不降低燃油经济性的前提条件下能同时降低NOx和颗粒物（PM）刮排放量。
从喷油开始和开始燃烧的这一段时间就是称为滞燃期，滞燃期是柴油机的工作过程当中的一个非常重要的参数，它能够非常的直接影响后续的燃烧和他的排放性能，因此，研究滞燃期具有一个十分重要的意义的。
而传统的柴油机的燃烧和柴油机低温燃烧的方式有根本性的差异，传统的柴油机燃烧分为：
预混燃烧和扩散燃烧，而柴油机低温燃烧则通过加入大量的EGR和适当的定时喷油的减少或消除扩散燃烧的这一过程，降低燃烧温度的同时也是降低NOx和PM的排放。
因此很有必要对滞燃期的所有影响来进行研究试验参数并且要结合喷油持续期用来控制燃烧的相位。
对于探索低温燃烧两种趋势即早喷射和晚喷射，这两种都是通过用大量的废气再循环来降低燃烧温度的，用来抑制碳烟的生成两，因此能够在混合气为较浓的这一情况下，用来实现排放和NOx的性能改善。
在以往的研究当中，有许多的研究者是根据定容弹和稳流试验装置或者传统柴油机上试验得出的数据才能提出不同滞燃期的预测关系式，各种这样预测关系式基本形式，根据阿伦尼乌斯方程表达式而提出的。
但是这些经验公式都是只是对传统的燃烧柴油机提出的，根据压力和喷油始点和终点或者燃烧始点的温度来估算滞燃期。
另外，对现有的喷油定时和高压喷射的影响都是没有考虑的，用滞燃期总结出来的经验公式对燃烧的预测存在一定的偏差。
在人们对低温燃烧滞燃期的探索上，不断的创新试验是最好的手段方式。
对于低温燃烧来说，研究人员在对晚喷射降低排放量和工况扩展方面都已经做了非常多的工作，但是低温燃烧在当前情况下还不能在全负荷范围内来实现良好的运转。
而早喷射能够对低温燃烧实现降低排放，因此为了探索过早喷射能够降低排放潜力，为了判断滞燃期，其趋势必须结合喷油喷射压力与负荷下的喷油量以及喷油的持续期，来减少不必要的试验摸索的程度，快速找到早喷射降低排放所需要的喷射参数和EGR率，以便更加快速的开展早喷射低温燃烧的降低排放试验研究。
由此可以得出：
a．根据缸内压力所求得的缸内平均温度和放热的规律，进行分析了进排气系统中O2燃烧始点、体积分数、终点的温度和喷油始点、压力对晚喷射和低温燃烧早喷射这两种种情况下的滞燃期影响，不管是晚喷射还是早喷射，增大EGR率就都能够延长它的滞燃期。
b．使用晚喷射比超多喷孔油嘴早喷射不需要很大的EGR就能达到低温燃烧了，但晚喷射与早喷射相比，滞燃期长，早喷射需要更高的喷射压就是为了能够让燃油有比较多的时间来混合力。
c．随着大量的EGR不断加入，更能反映气缸内燃油跟空气的混合情况的是混合气中氧气体积分数比名义上的过量空气系数，和O2体积分数有关的是滞燃期与混合气体温度，压力，在全部严重影响低温燃烧的燃烧滞燃期的所有因素当中，影响滞燃期最为明显的是温度，也是最关键的因素。
3.3.进气氧浓度对船用低速柴油机低温燃烧影响的试验研究
当循环的喷油量不同的时候，不同的进气氧浓度瞬时放热率也会不同，在不同的喷油时刻，放热率随喷油的提前角的改变而改变[4]。
由此可看出，滞燃期的延长是因为氧浓度的降低。
而着火始点后移，在比较小的负荷时，放热速率便会随着氧浓度的降低而逐渐跟随着降低，从而实现低温燃烧。
但是在比较大的负荷，放热速率就是随着氧浓度降低，最先是升高后才会降低的。
因为在较小的负荷时，燃油已喷射完毕之后就是燃烧的开始，混合气体是非常均匀的。
而降低了氧浓度之后，则会导致放热的速率变慢，而在非常大负荷的时候，喷油的持续时间较长。
加入CO2以后，首先会使滞燃期延长，会使油气混合的更大程度均匀，使增大放热的速率，但是在另外一方面，氧浓度降低会导致放热速率降低，造成放热速率先增大后减小是在这两个因素的共同作用下的。
随着进气氧浓度的降低，滞燃期延长，就会出现预混燃烧，占的比例会逐渐增大。
在不喷CO2的时候，几乎是看不到低温反应的。
低温放热所占的比重会变得越来越大是随着氧浓度的逐渐降低，在较低进气氧浓度下，就会呈典型的两阶段放热。
由于氧浓度较低，因此滞燃期会较长。
是因为在燃烧开始前混合的比较均匀，所以预混燃烧所占的比重就较大。
在不相同的喷油提前角下，都会有较为明显的低温放热阶段时间。
随着喷油角的不断延迟，着火时刻也相应的变得延迟，放热速率逐渐变慢，燃烧持续期慢慢变长。
图5进气氧浓度对放热效率的影响
在不同喷油压力和喷油提前角下，滞燃期会随着进气氧浓度的关系变化。
燃烧特性的一个重要参数是滞燃期。
它直接影响扩散燃烧与预混合燃烧的比例，因此对发动机的性能和排放都会产生很的大影响。
线性增大是随滞燃期基本上氧浓度的降低而发生。
活塞便会下行，压缩温度也逐渐降低，会造成滞燃期延长显著。
也可以发现，喷油压力对滞燃期是影响不大的。
最后可以得出：
（1）得到较低的NOx和碳烟排放是采取较低进气氧浓度和较高的喷油压力，实现低温燃烧，当CO2和THC排放较高时，指示就显示热效率有所降低。
（2）控制NOx排放的有效措施是用降低缸内温度来降低进气氧浓度。
（3）烟度排放几乎与喷油压力和小负荷工况无关，但是在较大负荷时，则反之。
（4）NOx和碳烟的低排放，且可能保持较高的热效率，是综合了燃油经济性和排放性能，此时，在低温燃烧中，还应该取较早的喷油时不晚于20度。
（5）CO2的排放大幅增加时是低温燃烧所面临的新问题。
这是否和喷入CO2有联系还需进一步研究。
3、4正丁醇对船用低速柴油机低温燃烧和排放的影响
在柴油中加入正丁醇燃料，由于正丁醇燃料中含有的氧，十六烷值比柴油低[5]。
这些特性都表明，掺入部分正丁醇非常有利于改善柴油机的低温燃烧性，这会使着火滞燃期的延长，气缸内最大爆发压力以及燃烧温度明显降低，实现低温燃烧。
3.4.1正丁醇对柴油机低温燃烧特性的影响
在一台新改造的单缸柴油机上面，研究柴油中掺入了正丁醇燃料在不同的EGR率，进气压力下对燃烧和性能以及排放的影响。
结果表明，
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