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Study on Mixture Formation Process in Two Stroke Low Speed Premixed Gas Fueled Engine

该论文已在赫尔辛基举行的第28届CIMAC大会上发表,论文的版权归CIMAC所有。ABSTRACT In this day and age, emission regulations such as GHG and NOx become gradually strict for marine engines. Premixed gas engine is in spotlight because of the advantage of its reduction on GHG and NOx emissions. In particular, lean premixed combustion technology has great potential to reduce NOx emission without an exhaust gas after treatment system, and it has been mostly developed in 4-stroke medium speed gas engines. On the other hand, to satisfy lean pre-mixture in 2-stroke low speed gas engines, there are the following technical difficulties to overcome because of its gas injection during scavenging period. (1) Gaseous fuel slipping through exhaust valve (2) Unexpected ignition due to contact with hot residual gas and gas mixture (3) Quick gas mixing is needed to inhibit abnormal combustion (pre-ignition, rapid combustion and end gas autoignition). Therefore, the technology concerning mixture formation is a key point for developing 2-stroke premixed gas fueled engines. This paper describes the mixture formation process and feasibility in 2-stroke lean premixed combustion gas engine by using CFD analysis and elementary test. Gaseous fuel is injected from the injectors mounted on the cylinder liner between the scavenging port and exhaust valve. The mixture formation process is investigated by CFD simulation and visualization experiment using 200 mm diameter acrylic cylinder. The CFD result shows that gaseous fuel jets in crossed swirl flow reach the cylinder center and mix with fresh air. The jet trajectory of CFD has good agreement with the visualization result. Optimization of injection timing can almost control non-contact with hot residual gas, and also minimize gaseous fuel slipping through exhaust valve. Furthermore, the effect of injection system on mixing process is studied by CFD simulation. The result shows that the scavenging port injection system, which gas nozzles are mounted on each scavenging port, improves mixing and in addition, optimizing swirl flow provides further mixing.
发表在 :
作 者 :Takahiro Kuge
发表日期:2016-06-08

Catalytic Oxidation of Ultra-Lean CH4 in the Exhaust of Natural Gas Engine

未来天然气将会是一种大范围替代传统柴油发动机的充满前景的燃料。然而,由于排气中的未燃甲烷的四面体的稳定结构和远低于燃烧界限(5%-15%)的含量浓度使其氧化成为难题。高温环境(>550℃)需要采用催化转化的方法对稀薄甲烷进行完全氧化,因此,在发动机的许多运行工况点,排气温度很难使未燃甲烷完全氧化。本研究中,一种新型的电场催化氧化系统被应用于稀薄CH4的氧化。超过1%的Pd/Co3O4催化剂,存在电场时稀薄甲烷(0.2%)的点火温度从358℃降低至293℃,稀薄甲烷完全转化的温度是350℃。另外,在保持相同的效率水平条件下,电场可以减小Pd量。相比于等离子技术,电场联合催化剂技术可使用输入电流3mA、输入电压不超过500V、功率超过37Kw的小容器达到更节能、更实用的效果。 研究证实,电场对稀薄甲烷氧化的影响超过Pd/Co3O4催化剂。电场提供自由电子来促进Co3O4中晶格氧的释放,因此加强了Pd的氧化。另外,在电场中钴元素氧化作为良好的“水槽”可以加速PdO表面的氢元素的分离,因而更容易激活甲烷活性。TPR结果证明,电场可以加强PdOx的还原性,在低温下CH4更容易氧化。采用in-situ FTIR技术,电场可以很大程度上促进CH4的化学吸附和脱氢作用,加速中间产品的化学反应,进一步加快稀薄CH4的催化氧化。最后,通过上述复杂研究提出了采用电场进行CH4的催化氧化机理。 关键词:天然气发动机;甲烷催化;电催化;排放 译者简介: 李垂孝,男,32,中国船舶重工集团公司第七一一研究所,工程师,研究方向:发动机性能。 翻译:李垂孝 校对:李翔
发表在 :
作 者 :Ke Li, Ke Liu, Dejun Xu, Ting Chen, Reggie Zhan, Z
发表日期:2019-06-14

Estimation of Ignition and Combustion Quality of Low-Sulfur Marine Fuel after 2020

从2020年开始,将船用燃料含硫量降至0.5%的法规将在全世界范围内正式实施。考虑到炼油厂生产低硫船用燃料的工艺,作者认为,2020年以后,某些地区的船用燃料性能将彻底的从传统的重质燃料油(HFO)转变为低硫、高芳香烃的燃料油。 在本文的前半部分,介绍了作者的研究小组对船用燃料燃烧质量的长期研究工作。该小组通过使用许多研究工具(如定容燃烧室和可视化喷雾燃烧的测试发动机)分析了造成船用发动机严重故障的实际燃料样品。考虑到炼油厂用于减少硫的现代工艺及回顾上述数据,预计2020年后燃料的点火性能和燃烧特性都将变差。在本文中,明确区分了点火性能和燃烧特性。在中速发动机的运行过程中,点火性能差极易导致柴油机敲缸等妨碍平稳运行的问题。然而,预期在低速二冲程发动机的运行过程中,故障的根源与中速发动机的情况不同,因为前者对点火性能相当不敏感。 本文主要研究了在低速二冲程发动机上,因燃烧质量差导致气缸内的燃烧持续期长,后燃期长,进而导致的摩擦故障,如活塞环和气缸套之间的异常磨损。像这种会引起柴油机故障的燃料,其含硫量相当低,并同时含有大量的多环芳烃。 更详细的说,本文通过独立的可视化研究证实,通过与其他燃料样品相比,含有大量多环芳烃的燃料样品,其后燃期较长,并伴随较长的燃烧持续期。看到这些数据,上述故障发生的机制推断如下。与低芳烃的燃料相比,由于较多的环芳烃燃烧需要更多的时间,燃烧持续时间必然变得更长,火焰本身在空间中也会更长。然后长火焰会接近或接触到气缸壁上的润滑油膜,损坏润滑油膜。这种现象将在后燃烧期内相当晚的时间点发生,此时活塞位置降低到一定程度,并且润滑油膜暴露于燃烧空间。 鉴于上述机理,提出了一些降低发动机损坏风险的措施。在燃油喷射系统中,采用较小的喷孔直径,较高的喷射压力,会在喷雾过程中形成良好的混合气,从而保证贯穿距离不发生变化。在本研究中,证实了这种燃油系统的改进使后燃期缩短,致使靠近燃烧室壁面附近的火焰减少。 本文的后半部分,研究了甲醇和液化石油气(液态丙烷)等替代液体燃料作为未来环境友好型船用燃料的潜力。它们具有无硫的优点,并且比常规MDO / HFO有更低的C/H比,基于此会降低EEDI(CO2)值。 对于甲醇和液化石油气,应明确区分自燃性和燃烧特性。两种燃料的自燃能力都比传统燃料低得多,必须通过预喷射柴油燃料引燃,但一旦引燃,它们就表现出良好的燃烧状态。
发表在 :CIMAC 2019
作 者 :Koji Takasaki1,Atsushi Takeda2,Chiori Takahashi3等
发表日期:2019-06-14

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