燃烧路径控制对缸内直喷LNG船舶柴油机颗粒物排放生成影响的研究

Ship emission regulations have set a limitation for particulate matter(PM) from marine diesel engines. Investigation on the effects of combustion paths control on the PM emissions will have great significance for the PM control technology development. Liquefied natural gas(LNG) direct-injection can reduce the PM emissions from vehicles. However, in-cylinder combustion control and formation mechanism of PM have been puzzled to be solved when LNG are applied to the marine diesel engine. Based on the precisely combustion process control, this application will elaborately analyze the generation and evolution process of PM emissions to achieve efficient and clean burning with heavy diesel-LNG dual fuel. In this proposal, the objectives are four-fold, 1) to analyze the low-temperature and high-temperature oxidation characteristics of the heavy diesel in extreme heat of natural gas; 2) to simplify and verify the detail PM model using PAHs as soot precursor species; 3) through emissions sampling, component analysis and electron microscope analysis, establish the correlation of combustion process parameters and the elements and microstructures of PM emissions, and then reveal the process of the PM emissions formation and evolution. Finally, these results of the proposal will provide the condition of the efficient and clean combustion to reduce the PM emissions from marine diesel engines based on the using of the heavy diesel-LNG dual fuel. Furthermore, this proposal will also provide the theoretical basis on the reduction of PM emissions at sea.

颗粒物排放已成为船舶排放法规的控制量，研究柴油机燃烧路径控制对颗粒物排放的影响，对开发降低船舶颗粒物排放的控制技术具有重要的意义。缸内直喷液化天然气（LNG）能够降低机动车颗粒物排放，但是其应用于船舶柴油机的缸内燃烧控制和颗粒物生成机理一直是亟待解决的问题。本项目将以高效清洁燃烧技术为基础，拟采用理论分析与试验验证相结合的方法，深入分析缸内直喷LNG船舶柴油机颗粒物排放的生成和演变的过程，以期实现船舶柴油机的高效清洁燃烧。重点研究：1）天然气热氛围下重油低温氧化和高温氧化特性分析；2）以PAHs为前驱物的详细动力学模型的简化和验证；3）通过排气取样、成分检测和电镜分析，建立燃烧边界条件参数与颗粒物组分以及微观结构的关系，进而揭示颗粒物排放生成和演变规律。最终提出和归纳实现降低船舶柴油机颗粒物排放的高效清洁燃烧的条件，为解决海上颗粒物排放提供理论依据。

柴油机作为船舶运输的主要动力，其废气中含有的颗粒物排放（PM）是造成雾霾天气的主要原因之一。液化天然气（LNG）以其热值高、污染小、储运方便等优点已逐渐成为船舶推进装置的主要替代燃料。然而，目前采用的微引燃式重油-LNG双燃料燃烧模式在降低碳烟排放的机理方面还有待研究。本项目采用模拟仿真与实验验证相结合的方法，围绕以下三个方面开展了相关研究，并得到了相应的结论，具体包括：（1）建立并验证了微引燃式重油-LNG双燃料燃烧模型，研究了重力因素对双燃料船舶柴油机缸内燃烧和排放的影响，研究结果表明，重力因素对放热率影响较小，对NOx排放影响较大，在失重状态下碳烟排放要略高于超重和正常状态下碳烟的生成；（2）研究了不同喷射策略和EGR率对双燃料燃烧和排放的影响，研究结果表明，在喷射策略不变的情况下，随着EGR率增加，最大爆压有所降低，缸内温度下降，相同EGR率时，适当加大喷油重叠有利于降低燃烧过程中碳烟的生成；（3）研究了大缸径二冲程低速船舶柴油机缸内燃烧特性和排放特性，研究结果表明，随着负荷的增加，缸内温度有所上升，在巡航时颗粒物质量较离港和靠港时有所增加，随着航速的增加，颗粒物质量有所降低。本项目的实施为微引燃式重油-LNG双燃料燃烧技术在船舶上的推广使用提供了理论和实验依据。