船用柴油机NOx排放所造成的环境污染越来越受到重视,国际海事组织(IMO)先后出台一系列法案限制NOx排放。目前,在部分排放控制区(ECAs)试实行的IMO TierⅢ法规要求NOx排放限值比IMO Tier I法规降低约80%。本文以240中速柴油机为研究对象,开展了机内净化技术降低NOx排放的研究。研究内容分为三个部分：1)基于新型燃烧室和喷油嘴的快速混合燃烧实验研究；2)满足MO Tier III排放法规的机内净化NOx技术路线探索；3)将上述两方面研究内容有机融合,实现快速混合及低NOx燃烧,在保证柴油机动力性的前提下,实现排放和经济性的同时改善。为扩大喷雾在燃烧室的分布范围、提高油气混合速率、实现相对快速低温燃烧,达到改善燃油经济性,并降低NOx排放的目的,提出两种新型燃烧室概念：1)大导向角燃烧室——在喷雾落点处设置导向环,增强燃烧室对喷雾的碰撞导向作用,促进喷雾扩散,提高油气混合速率；2)小导向角燃烧室——在喷雾落点处采用斜率较小的活塞顶面,使喷雾发展方向上所受阻力减小,扩大燃油分布范围,促进喷雾与空气的混合。基于上述思想,以240柴油机为研究对象,设计了三种型线的燃烧室；为了改善喷雾特性,研发了高扰动喷油嘴。通过台架试验,对新型燃烧室和高扰动喷油嘴的燃烧性能进行了初步研究。实验结果显示：采用大导向角燃烧室后,E3循环工况的NOx排放比原机降低10%,部分工况油耗率降低2%-6%;采用小导向角燃烧室后,E3循环工况的NOx排放降低8%,各工况油耗率平均降低3%；在同等喷射压力条件下,采用高扰动喷油嘴使E3循环工况的平均油耗率降低4%,NOx排放降低19%；高扰动喷油嘴匹配大导向角燃烧室方案通过提高喷雾体积增大倍率和燃烧室对喷雾的碰撞导向作用,使燃油在燃烧室圆周方向、径向和轴向的分布范围同时得到改善,缩小缸内局部浓区范围,E3循环工况的NOx排放降低32%,但在部分工况下油耗率略有升高；高扰动喷油嘴匹配小导向角燃烧室方案通过提高喷雾体积增大倍率,减小燃油喷射方向所遇到的扩展阻力,使燃油在燃烧室圆周方向和喷射方向的分布范围同时得到改善,减少缸内局部浓区,使E3循环工况下的NOx排放降低15%,平均油耗率降低4%。为了探索满足MO Tier III排放法规的技术路线,应用AVL BOOST和CONVERGE软件分别建立16V240型柴油机的整机循环和三维CFD缸内流体计算模型。经台架实验数据标定,对比分析多组Miller循环、EGR技术和优化几何压缩比、喷油正时的方案对燃烧与排放的影响,并在240单缸机台架实验中进行Miller循环方案的验证。研究结果显示：Miller循环降低了压缩行程的缸内温度,从而控制NOx排放。但当该温度过低时,预混合放热量快速升高易导致柴油机工作粗暴。当与原机进气门关闭时刻相对应的缸内温度T580℃A< (300-310 K)临界温度范围时,甚至发生失火现象。采用M50方案可在保证柴油机稳定运行前提下,使NOx排放降低41%。适当提高几何压缩比,配合喷油正时滞后可以使NOx排放降低幅度提高到50%以上。以此为基础,增设EGR技术方案,模拟分别保持原机进气压力和进气量不变两种情况下,不同EGR率对燃烧与排放的影响。结果显示：采用Miller循环技术后,再通入20%-30%的EGR废气可使NOx排放降低80%；保持进气压力与原机一致时,油耗率升高4%；通过提高进气压力,保持进气量与原机一致时,油耗率略有改善；在此基础上,适当提高几何压缩比使soot排放相对原机下降7%,实现NOx和soot排放同步降低的目标,并且油耗率降低4%。基于240柴油机快速混合燃烧实验研究和机内净化NOx技术探索,提出“快速混合及低NOx燃烧”概念：以“大导向角燃烧室或小导向角燃烧室匹配高扰动喷油嘴”,形成快速混合燃烧系统；提出“中度Miller循环技术和中度EGR技术相结合,同时适当提高几何压缩比,将喷油正时滞后”的机内净化NOx技术路线。模拟5组降排放方案下E3循环工况下柴油机的缸内燃烧过程,结果显示快速混合及低NOx燃烧方式可以使NOx满足IMO Tier III法规,同时保持原机的动力性,改善经济性。