一.研究的目的及意义

1.1研究目的及意义：

生态环境污染和相应的排放法规限制是当前内燃机行业面临的一个严峻问题。内燃机的有害排放物包括碳氢化合物、一氧化碳、碳烟颗粒、氮氧化物及硫化物，这些是引发光化学烟雾、臭氧层破坏、雾霾和酸雨的重要因素，对人类的身心健康有着极大的危害[1]。船舶航运作为主要的货物运输方式之一，占据全球约 80%的物资流动市场份额，其污染排放在全球总排放量中亦占有重要比例。目前 95%的船舶采用柴油机作为主动力源，燃用劣质柴油和重油，具有油耗高、污染物单机排放量大等缺点[2]。针对船用柴油机，国际海事组织（IMO）的海上环境保护委员会（MEPC）于 2008 年通过了船舶防污公约附则Ⅵ修订版[3]。自 2011 年 1 月起在缔约国海域内强制实施 IMOTierⅡ 阶段法规，并计划于 2016 年 1 月开始实施 Tier Ⅲ 阶段法规。不同阶段的 IMO排放法规对船舶 NOx 排放量的规定如表 1.1 所示：自 2011 年起全球范围内不同转速柴油机的 NOx排放限定值将比 2005 年降低 18%左右，而 2016 即将实施的 Tier Ⅲ将使“排放控制海域”内的 NOx限定值在 2011 年的基础上降低 75%。对于重燃油的平均硫含量，必须从原来 4.5%的水平降到 3.5%，至 2015 年将继续降到 0.5%，而在“排放控制海域”内则必须降至 0.1%[4]。我国作为 IMO 缔约成员国之一，需严格执行此标准，并于 2011年开始实施《船用柴油机氮氧化物排放试验及校验指南》，排放限值要求和实施日期与船舶防污公约附则Ⅵ相同。目前正拟制定《船舶压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》，计划自 2016 年 1 月 1 日开始实施，届时船舶发动机的排放限值将进一步降低。为了应对日益严格的海事排放法规，船东必须对船舶发动机采取相应改进措施，以避免因为超额排放而支付高额罚款。其中，燃用排放更加清洁的替代燃料便是有效途径之一。

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础之一。尽管太阳能、风能、地热能等可再生能源已在部分领域得到应用，但当今世界的主要能源仍是化石能源（主要指煤、石油）。其中，石油在世界能源结构中一直占据主导地位。据英国 BP 石油公司发布的《2014 年世界能源统计报告》显示：2013 年全球的主导性燃料仍是石油，占一次能源消费量的 33%左右；世界石油消费水平较 2012 年增长约 1.2%，其中中国的石油消费增长速度居全球第二[5]。相较于快速增加的石油消耗，我国是一个贫油国家，石油的产、储量不足，从 1993 年开始就成为石油净进口国[6]。2015 年 1 月 13 日海关总署发布数据：2014 年全年我国进口原油 3.1 亿吨，对外依存度增至 59.6%[7]。而且我国目前仍处于发展中阶段，发动机的保有量会进一步增加，若不改变现有能源结构，石油资源的对外依存度将会继续增大。在石油资源短缺和油价持续上涨的国际形势下，大量的石油进口将会危及我国的能源安全，并限制我国经济发展。在中国的石油消耗中，内燃机燃料消耗超过 60%，开发和推广替代燃料发动机将有效缓解能源压力[8]。因此在发动机在燃烧时的燃烧程度决定了发动机排出污染是否达标，因此计算燃烧放热率就成为了测定双燃料发动机制造是否符合标准的一大问题。为此，计算燃烧放热率已成为我们不可忽视的一个关键因素，如何计算燃烧放热率就成为我们现在最重要的问题。

1.2国内外发展现状：

武汉理工大学贺玉海，袁玉峰，郑先全，王勤鹏通过神经网络预测模型的方式进行了一次实验，首先选取ACD320DF型船用中速双燃料发动机作为原型机，在模拟由经过标定的AVL Boost模型计算结果提供的初始边界条件后选用软件提供的Coherent Flame Model拟序火焰模型作为燃烧模型，该模型采用火焰密度方法来描述火焰的发展过程，认为反应发生在将未燃气体与已燃气体隔开的无限薄的火焰面上，通过求解未变形的层流火焰速度和未燃气体的温度来计算得到化学反应的总燃烧速率。模型中的ECFM 模块能恰好模拟双燃料发动机柴油引燃气体的工作状况。然后利用AVL FIRE三维仿真软件，建立ACD320DF双燃料发动机燃烧室模型综合考虑计算精度和计算时长2 个因素，确定以进气门关闭时刻为计算起始点，以排气门开启时刻为计算终点，并设定压缩上止点为0 °CA，计算过程为#8722;120 °CA～110 °CA。由于微引燃喷油器周向有4 个喷孔，为减轻计算量，模型中只对燃烧室内 1/4 容积进行计算。根据建立的CFD 多维性能仿真模型，对双燃料发动机运行的典型工况进行计算，并与原型机设计报告进行对比和验证。结果显示，仿真计算结果与发动机设计指标吻合良好，该模型能用来预测和计算发动机缸内工作过程。采用数据拟合的方法，根据数学函数方程，计算出曲线对应的特征参数，曲线特征参数和特征方程不仅要对各个工况下的放热率曲线进行准确拟合，还应该与燃烧过程中燃烧放热规律有一定的对应关系。所以选择Peak Functions峰值函数GaussAmp方程对发动机放热率进行拟合，得到燃烧放热率曲线来计算放热率[9]大连海事大学任川利用对所得到的燃烧放热率进行分析，结果表明，推迟引燃油的喷射时刻发动机的油耗率升高，缸内温度、压力及NOx生成量降低；随着天然气喷射持续期的缩短，油耗减少，缸内温度、压力及NOx生成量升高；随着天然气替代率增加，油耗率增加，缸内温度及压力、NOx生成量降低[10]通过分析燃烧放热率可以得出燃烧放热率的大小对于污染和燃烧程度的影响。

江苏大学汤东于2007年通过使用基本能量方程计算得到燃烧放热率。根据双燃料发动机的燃烧特点,在柴油机双区放热率计算模型的基础上[11],增加了气体燃料区,并做了适当调整,模型将气体燃料的燃烧和引燃柴油的燃烧分别进行考虑,假设当柴油喷入缸内时,缸内总体被分为三个区,由于各区互相重叠,因此也可称为三个充量层,第Ⅰ区由柴油-空气混合物组成,其中又分为已燃区和未燃区,第Ⅱ区由气体燃料-空气混合物组成,也细分为已燃区和未燃区,第Ⅲ区由剩余空气和残余废气组成,其中的剩余空气是指两种燃料按理论当量比计算所剩余的过量空气,其质量也可为零,并且一旦柴油喷射结束,其值即固定。为简化起见,再作如下假设:

(1)引燃柴油和气体燃料均匀混合,两种燃料按等比例燃烧;

(2)柴油喷入缸内立即蒸发,两种燃料之间无化学反应发生,均为完全燃烧;

(3)缸内气体为理想气体,各区压力相同,忽略缸内工质泄漏;

(4)已燃区和未燃区的温度均匀,分别为Tb与Tu;

(5)区域Ⅲ内的状态参数变化服从多变指数规律。