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原文传递船用双燃料低速机预燃室富燃反应机理及性能优化策略研究

论文题名：	船用双燃料低速机预燃室富燃反应机理及性能优化策略研究
关键词：	船舶动力装置;低压双燃料发动机;零排放预燃室;甲烷逃逸;NOx排放
摘要：	在当前碳达峰与碳中和的全球去碳能源背景下，低碳燃料和近“零”排放内燃机研究越来越受到人们关注，这对船舶动力装置提出了更高标准和要求。采用船用LNG低压双燃料发动机技术是一种现实可行方案，可以渐进满足船舶行业2030年降低40％碳排放目标，但却存在甲烷逃逸和NOx排放总量较高问题，与发动机近“零”排放目标存在较大差距，这是目前低压双燃料发动机自主化研发和产品升级中的难点。本文针对船用低压双燃料发动机甲烷逃逸和NOx排放问题，从燃烧化学反应动力学角度开展研究，构建适用于低压双燃料发动机的专用燃烧反应机理和仿真模型，研究预燃室回流特性对发动机NOx排放和燃烧特性影响规律，寻求低压双燃料发动机甲烷逃逸和NOx排放控制方法，以期为船用低压双燃料发动机近“零”排放预燃室设计及性能优化提供技术途径。基于此，本文开展如下工作: 　　(1)通过对比WinGDGTD数据和整理相关实验数据，构建了船用低压双燃料发动机工作过程仿真模型及三维仿真模型。利用DRGEPSA方法对正庚烷和天然气详细机理进行简化，针对非扫气预燃室高压、高残余废气燃烧环境，构建了正庚烷富燃-天然气宽当量比燃烧反应机理，对新机理做了滞燃期和层流火焰速度的验证。将新的正庚烷-天然气燃烧反应机理耦合CFD三维仿真模型进行验证，优化后的燃烧化学反应动力学机理能较好地预测低压双燃料发动机内部燃烧及其污染物生成过程。　　(2)研究了船用低压双燃料发动机气体模式工作特征和预燃室回流发生过程，分析了回流特性对低压双燃料发动机燃烧及排放特性的影响。定义了柴油/天然气双燃料的等效空燃比，并将预燃室最小空燃比λmin作为预燃室回流特性量化的判定参数，给出了不同预燃室回流影响因素的评价。研究表明:预燃室持续高温燃烧反应是产生NOx的主要原因。引燃油燃烧对预燃室温度快速升高贡献很大，是引起预燃室内部NOx较高排放的重要因素。预燃室喷孔直径比和天然气喷阀位置对预燃室回流特性影响较大。预燃室回流与射流之间存在密切联系，回流特性通过改变预燃室工质状态，进而影响预燃室燃烧反应速率和射流强弱。着火时刻预燃室最小空燃比对射流火焰强度影响很大。　　(3)研究了天然气喷阀位置、天然气喷射角度、预燃室喷孔直径比和天然气喷射正时四种因素对预燃室回流特性及发动机性能影响。研究表明:预燃室回流量随天然气喷阀位置升高而增大。天然气喷阀位置较高时，缸内OH自由基分布面积增大，燃料燃烧过程加快，发动机指示热效率降低且甲烷逃逸量增加。随着天然气喷射角度增加，混合气均匀性逐渐提高。45°喷气方案下的NOx污染物量最低，但燃烧恶化严重。预燃室喷孔直径比ωr增大，预燃室最小空燃比先降低后升高，预燃室压缩温度峰值降低。ωr=2％方案下指示热效率最高，但缸内压力波动增大。天然气喷射正时提前，缸内平均压力峰值和NOx排放增加，发动机指示热效率先升高后降低。　　(4)利用低压EGR技术控制船用低压双燃料发动机的甲烷逃逸和预燃室NOx排放，并采用EGR中冷技术、引燃油定时调整和燃料重整技术来弥补EGR技术缺点，以确保在控制甲烷逃逸和NOx排放的同时改善发动机燃烧效率。此外，还开展了天然气组分对发动机性能的影响规律研究，给出了从燃料角度提升发动机性能的技术方向。研究表明:初始中冷温度增加，发动机指示热效率先升高后降低，NOx排放量增大。随着EGR率增加，主燃室平均压力峰值和压力升高率降低，燃烧持续期延长。EGR技术可以抑制预混燃烧强度并降低甲烷逃逸量。燃料重整率升高，缸内最高燃烧压力和瞬时放热率峰值同时增加，滞燃期缩短，燃料总放热量增加，燃烧持续期缩短较明显。引燃油喷射正时提前，发动机指示热效率先升高后降低，NOx排放增加。乙烷和丙烷含量增大，主燃室最高燃烧压力和燃烧放热率峰值增加，发动机指示热效率和NOx排放均升高。采用-5℃A-E24-R2％(-5℃ABTDC引燃油正时，24％EGR率和2％燃料重整率)优化方案，发动机指示热效率提升2.7％，甲烷逃逸量降低近24％。　　本论文通过构建船用低压双燃料发动机专用燃烧反应机理开展三维仿真工作，定量分析回流特性对发动机燃烧和排放性能影响规律，获得了能够提高发动机热效率并降低甲烷逃逸和NOx排放的协同控制策略，得到的研究成果可以为船用低速双燃料发动机预燃室优化设计和整机采用EGR技术优化方案提供了理论基础和工程设计参考。
作者：	郭浩
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	周松
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021