二冲程船用柴油机缸内湍流特性及其对EGR分布影响规律研究

EGR has the ability to reduce NOx emission to meet the Tier III and more strictly emission regulations. In this study, the optical scavenging flow bench will be built, and the in-cylinder turbulence characteristics of two-stroke marine diesel engine and its influence to the EGR distribution will be investigated by using 3D-PIV technology combined with numerical simulation (LES) method with the following goal: Reveal the evolution and the attenuation law of the swirl flow under long stroke condition; Analysis the possible reason of precession phenomenon of Rankine vortex; Reveal the spatial distribution and evolution of turbulent eddies in different scales, especially for the coherent structures, and the energy cascade and dissipation process between different scales; In addition, for the purpose of realizing the ideal distribution between EGR and fresh charge, the different introduced way of EGR will be investigated under different inlet charge condition. The result of the present study is beneficial for the enrichment and development of the turbulent combustion theory, and effectively guides the high efficiency and cleaning burning of the two-stroke marine diesel engine.

采用EGR降低二冲程船用柴油机NOx排放是实现TierⅢ及以上排放法规的机内燃烧关键技术。本课题拟针对二冲程船用柴油机搭建可视化光学扫气流动实验平台，采用3D-PIV技术结合大涡数值模拟方法开展内燃机缸内湍流特性及其对EGR分布影响规律的研究,揭示长行程条件下缸内涡流的发展和衰减规律；分析二元漩涡进动现象产生的原因；获取大空间尺度下缸内湍流特性，探明不同尺度涡团（尤其是拟序结构）的空间分布与演化、涡团间能量级联传递与耗散规律；采用不同EGR引入方式，研究不同进气条件对EGR与新鲜充量分布的影响规律，进而实现新鲜空气与燃烧废气的理想分布，为EGR的有效利用提供理论依据。本课题对于丰富和发展湍流燃烧理论有重要的理论意义，可以有效的指导二冲程船用柴油机高效清洁燃烧。

组织良好的扫气是改善二冲程柴油机动力性、经济性以及排放性的有效途径,而EGR是降低NOx排放，实现满足TierIII排放法规不可或缺的关键技术。本项目围绕低速二冲程船用柴油机展开了以下研究：一、基于相似性原理对现有稳流试验台实现了改造，完成了适用于低速二冲程船用柴油机扫气流动实验平台的搭建，沪东重机有限公司牵头的国家科技支撑计划《自主船用低速柴油机开发验证平台研究及关键技术开发》以本课题搭建的扫气流动实验平台为原型，按照1：1的比例搭建了国际领先水平的扫气流动实验平台，本课题为该国家科技支撑计划提供了较好的支持；二、基于该平台，采用3D-PIV测试方法开展了扫气流动实验研究，分析了不同因素下缸内流场的演变规律、缸内气流流通特性与涡流强度、以及扫气涡流的均匀性等。在上述研究的基础上提出了复合式扫气口结构，避免了传统扫气口为了提升缸内涡流比，而造成扫气效率和充气系数下降的问题，该结构可以使涡流比在一定提升的同时，减小涡心进动并提升扫气效率；三、采用本征正交分解（POD）分解方法及涡心涡团统计方法，系统研究了大尺度涡流对缸内湍流多尺度特性及涡心进动现象的影响，结果表明扫气涡流的进动现象主要是由缸内拟序结构引起的，而高强度大尺度涡流是维系流动稳定性的重要因素。四、提出了扫气非均匀系数的概念，用以在扫气实验平台上间接评价扫气效率的优劣，丰富了扫气流动实验的评价体系；五、系统的研究了EGR对低速二冲程船机燃烧及排放的影响，研究表明，EGR对于改善NOx排放的潜力很大。单独使用高EGR率可以满足Tier Ⅲ排放法规对于NOx排放的要求，但是高EGR率会对功率以及油耗造成一定的不良影响，需要通过其他技术手段来进行补偿。相关研究结果对于深入认识低速二冲程船机的换气过程，以及如何通过EGR满足TierIII排放法规有一定的理论和指导意义。