ACD320双燃料发动机排放研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.1目的及意义

随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的逐渐增强,控制污染气体和温室气体排放的要求日益强烈。迫于环保压力,国际海事组织(IMO)不断推出新规则规范,IMOTierⅢ阶段排放已于 2016 年 1 月 1 日实施,且适用排放控制区不断扩大。

我国内河航道通航里程达 12.71 万公里之多,沿海运输货运量 20.13 亿吨,随着船舶运输需求不断增加,单船平均污染物排放也呈逐年上升趋势。据悉,一艘万箱船舶的排放量相当于 15 万-20 万辆重卡,考虑到船舶的巨大数量以及更长的航行时间,船舶污染排放急需引起高度重视.

为此,我国交通运输部印发了《船舶与港口污染防治专项行动实施方案 (2015-2020 年)》,方案划定了珠三角、长三角及环渤海排放控制区,止 2018 年 1 月 1 日,排放控制区已从天津、秦皇岛、上海、深圳、广州等 11 个港口扩大至所有港口,并于 2019 年 1 月 1 日扩大至所有水域。到 2020 年,排放控制区水域船舶的硫氧化物(SOX)、氮氧化物(NOX)和颗粒物(PM)排放量较 2015 年分别下降65%、20%和 30%。

此外,GB 15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法 (中国第一、二阶段)》国Ⅰ阶段将于2018 年 7 月 1 日实施,自实施日期之后 12 个月起,所有销售、进口和投入使用的船机(含作为配件的船机),其排放污染物应符合本标准要求。凡不满足本标准相应阶段要求的船机不得销售、进口和投入使用.

为了适应日益严格的海事环保法规的要求,绿色环保船舶动力成为必选。天然气因具有良好的燃料可获得性、低污染性、经济性,以柴油或汽油为引燃燃料、液化天然气(LNG)或CNG为动力的双燃料发动机得到了快速发展.除上述优点外,气体燃料资源相对于石油资源更丰富,价格更便宜。所以,研究和开发双燃料气体发动机对船舶的节能减排具有重大的意义.

1.2国外研究现状

地球上天然气储量丰富,使用压缩天然气(CNG)代替汽油驱动汽车行驶能够改善环境并降低能源消耗。然而,大多数的CNG都是由汽油机改装而来的,因此并没有对燃烧天然气做优化处理。改装后的发动机还存在由于天然气燃烧速度过慢和气体置换效应导致的功率损失,更高的废气温度会降低发动机可靠性,减小每个储气罐的行驶里程,增加NOx排放。由于CNG发动机是由汽油机改装而来的,所以可以开发双燃料喷射系统优化上述问题。对此,马来西亚的D. Ramasamy a C.Y. Goh b,c K. Kadirgama a F. Benedict a M.M. Noor a G. Najafid A.P. Carlucci e等采用双燃料喷射的四冲程点燃式发动机进行实验研究,对双燃料发动机的性能,废气排放和燃烧分析,本研究的主要目标是开发用于汽油-CNG双燃料喷射系统,并研究双燃料喷射系统对发动机性能的影响。实验通过控制在进入气缸前汽油和CNG的比例的方法,最后得出结论,当采用35%活性汽油和65%CNG的混合气时,相较于纯CNG发动机基准,发动机性能有了明显优化,输出功率、扭矩和效率提升了10%,HC、NOx排放减少了50%,CO排放减少了75%。[1]

实验分为基准发动机测试和汽油-CNG混合测试两类进行,均按照SAE标准进行[2]。在基准测试阶段,使用汽油或CNG在发动机上重复进行三次实验,取平均值。这些基准发动机数据将用来与改装后的发动机数据进行比较,并以此为参照选择具有最佳发动机性能、可接受的发动机排放和发动机温度的燃料混合物。在汽油 - CNG混合物阶段,使用汽油-CNG混合物在发动机上进行实验。该混合物从15%汽油和85%CNG开始,每次增加10%的汽油,连续四次后,混合物的变化停止在45%汽油和UCNG。此实验分别测量了动比能量(BESC),发动机扭矩,系统效率,碳氢化合物排放和一氧化碳氮氧化物的排放量,进行分析比较.

得到最终结论;本次研究是针对汽油和CNG为燃料的双燃料发动机进行的。与纯CNG相比,G35表现出最佳的发动机性能并能够满足设定的排放要求。发动机的扭矩和功率平均增加了8.6%,BSEC和发动机效率没有变化,然而碳氢化合物增加不超过2000ppm Vol。达到了一氧化碳排放量增加但不超过2%,氮氧化物排放减少并且不超过1000ppm Vol的标准。发动机排气和冷却液温度一直保持在纯汽油水平。G35提供了更高的燃烧压力,其峰值压力向TDC移动。系统效率的上升使得整体燃烧角度减低。

芬兰瓦锡兰自 1996 年来相继推出了 20DF、31DF、34DF、46DF 和 50DF 五款双燃料发动机,采用 Otto 循环式缸内低压直喷技术,即在扫气冲程将压力低于 1.6MPa 的天然气直接喷入气缸,在压缩行程终点附近利用微量引燃油点燃天然气。双燃料发动机在柴油机基础上优化了气门正时和燃烧室形状,采用进气道多点喷射及预燃室技术,实现全负荷范围内燃气运行,燃油替代率 95%-99%,燃气模式下均可达到 IMO TierⅢ排放,HC 排放大幅降低,广泛应用于陆用发电、船用发电、船舶主推市场[3]。

1.3国内研究现状

苏万华教授利用双燃料天然气-柴油发动机研究引燃油喷射油量、预混天然气/空气的当量比对燃烧排放以及不同喷射次数的影响。天然气采用进气道喷射,柴油采用缸内直喷,从而实现HCCI燃烧。实验结果表明,引燃油量太小则会导致NOx排量升高,引燃油量会随着负载的增大而减小;稀薄燃烧以及非扩散燃烧可以有效降低NOx,但HC和CO的排量将会增加,HCCI发动机对喷射模式非常敏感,早喷油量的增加可以减少湿壁现象,晚喷需要尽可能的多喷油量,对于多次喷射,最后一次的喷油量应适当的减少以缩短混合时间[5]。

安庆中船柴油机 2017 年推出了 ACD320DF 双燃料发动机,燃油系统采用双喷油器,微引燃点火。燃油系统包含主燃油系统和微引燃系统两部分,主燃油系统采用“主喷油器 单体泵”结构,微引燃系统采用“微喷油器 微喷共轨”结构;燃气系统采用多点喷射技术 (伍德 SOGAV 阀和LECM);进排气系统采用伍德电动废气旁通阀进行空燃比控制。整机采用“米勒循环 稀薄燃烧 微引燃 多点喷射 废气旁通”技术方案,热效率 45%,引燃油<1%(1.8g/kWh),气体模式满足 IMO TierⅢ标准,燃油模式满足 IMO TierⅡ标准。

与国外相比,国内双燃料发动机尾气排放总体表现较差,大部分仅满足 IMO TierⅡ标准(表1) (安庆船柴 ACD320DF、中船动力CMP-MAN L23/30DF 和 L28/32DF 及玉柴蓝鲸 SK 系列,IMO TierⅢ),甲烷逃逸严重;国外双燃料发动机大多数满足 IMO TierⅢ标准(仅压缩行程终点高压直喷无法满足),国内由于采用多点喷射、缸内直喷技术,有效避免了甲烷逃逸。国内双燃料发动机热效率均较柴油机有所降低,一般下降 2%-5%左右,严重者 8%-10%,且热效率普遍偏低,一般 35%左右,仅中船动力、安庆船柴双燃料发动机达到45%左右。在双燃料发动机结构方面,国内双燃料发动机多数还处在混烧阶段,为不牺牲燃油模式性能,厂家通常不会改变原柴油机固有结构,仅增加一套燃气供给系统和燃气控制系统,经济、排放特性较差。与此同时国内发动机价格也很便宜.

nlt;130

n=130~1999

N≥2000

I

2000年1月1日(全球)

17.0

45·n-0.2

9.8

II

2011年1月1日(全球)

14.4

44·n-0.23

7.7

Tier

实施时间

(船舶建造起始时间)

NOX排放限值[g·(kW·h)-1

(n:柴油机额定转速,RPM)

III

2021年1月1日(北欧)

3.4

9·n-0.2

2.0

2021年1月1日(非控制区)

14.4

44·n-0.25

7.7

表1



2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容及研究目标

船用柴油机排放测试规范;熟悉《船舶柴油机氮氧化物排放控制技术规则修正案》(2008年nox技术规范),对双燃料船用发动机排放进行分析;了解排放产生机理和来源,熟悉排放测试过程,完成台架试验及排放计算分析评价。

2.2 拟采用的技术方案及措施

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅资料,完成文献综述的编写和英文文献的翻译;

第4-5周:完成开题报告及对翻译的检查;

第6-8周:编写程序,学习法规和测试仪器的使用方法;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]d. ramasamy .engine performance, exhaust emission and combustion analysis of a 4-stroke spark ignited engine using dual fuel injection . 2017

[2]黄超伟,聂志斌,秦炳甲,葛坚.国内外双燃料发动机发展现状.内燃机与配件,2018

[3]岁聪.船用双燃料发动机技术要点和nox排放测.中国水运(下半月) 2018

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