摘要
面对目前日益严苛的船舶排放要求和全球减碳背景，继续提高发动机热效率和减少污染物及温室气体排放成为船用发动机领域的主要目标。在船用低速机领域，柴油/天然气双燃料技术是最具NOx与温室气体减排潜力的技术之一。船用低速双燃料发动机目前主要的两种天然气燃烧模式均难以兼顾高热效率和低NOx排放，针对这一难点，本文利用天然气预混合燃烧和扩散燃烧在性能和排放方面的互补性，结合柴油预燃室湍流射流引燃技术，提出了湍流射流控制天然气预混合/扩散多模式燃烧技术。该技术中包括湍流射流控制扩散燃烧（TJCDC）模式、湍流射流控制预混合燃烧（TJCPC）模式和湍流射流控制预混合-扩散协同燃烧（TJCCC）模式。此外，本文将多模式燃烧与过膨胀循环进行耦合，以进一步提升发动机热效率。 多模式燃烧技术是基于柴油预燃室引燃技术，通过高、低压天然气的灵活喷射，在不同负荷工况灵活选择燃烧模式，使发动机在排放限制区域（ECA）内外均实现全负荷工况的高效率燃烧。本文首先建立并验证了两台低速双燃料发动机三维仿真模型，在此基础上建立了低速双燃料多模式燃烧发动机仿真模型，并对各负荷工况下的不同燃烧模式进行了燃烧过程、性能及排放的三维仿真研究，主要研究内容与相关结论如下： (1) 通过对 TJCDC 模式与传统柴油射流引燃天然气模式进行仿真对比，进而分析TJCDC模式的引燃机制、燃烧过程和排放特性。然后，通过调节引燃油喷射正时和引燃油能量占比，进行不同射流引燃参数对发动机燃烧过程和排放特性的影响研究。研究结果显示，湍流射流比柴油射流具有更高的动能和温度，其表面的OH基浓度更高，可以增强主燃室涡流强度，并促进高压天然气射流的快速混合与燃烧。不同的引燃油喷射正时下的天然气着火形式不同。当引燃油较早喷射，主燃室先形成湍流射流，天然气射流发展至湍流射流区域时被引燃；当引燃油较晚喷射，天然气射流先出现，湍流射流发展至天然气射流表面将其引燃。而提高引燃油能量占比可以增大湍流射流的引燃能量，增强主燃室流动状态，使滞燃期缩短和CA50提前，减小最高爆压和最大压升率。 (2) 在 TJCPC 模式中，通过进行低压天然气喷射正时和喷射持续期对预混合效果的影响研究，获得低压天然气最佳喷射策略。然后针对高压缩比TJCPC模式，开展了过量空气系数和引燃油喷射正时的参数影响研究；针对低压缩比 TJCPC 模式，开展了压缩比的参数影响研究，并明确合适的压缩比降幅；在12∶1的低压缩比下进行了引燃油喷射正时对 TJCPC 模式的影响研究。研究结果显示，合理增大过量空气系数可以改善发动机性能、温室气体和NOx排放，25%负荷工况下适宜选择2.4左右的过量空气系数。在高压缩比25%负荷工况，通过调节引燃油喷射正时，可以在 NOx排放低于 IMO Tier Ⅲ限值下，指示热效率提高至54.04%。当压缩比降为12∶1时，各负荷工况的最高爆压和压升率都满足或接近发动机限值，NOx 比排放均降至 Tier Ⅲ 限值以下。在低压缩比TJCPC模式中，通过调节引燃油喷射正时，可以使各负荷工况在满足发动机压力和压升率限值下，等效指示油耗率（EISFC）和总等效CO2指示比排放达到最优。 (3) 针对 TJCCC 模式，首先通过高/低压天然气解耦，实现预混合燃烧和扩散燃烧的解耦。其次通过对TJCPC、TJCDC和TJCCC模式的对比，明确了在ECA外的中高负荷工况下适合采用 TJCCC 模式。然后对 TJCCC 模式，进行了高/低压天然气喷射比例、引燃油喷射正时和引燃油-高压天然气同步喷射正时三个参数的影响研究。研究结果表明，TJCCC模式中预混合火焰最早主要由湍流射流引燃和驱动发展，在湍流射流消失（3℃A ATDC 左右）之后主要由高压天然气射流驱动发展；燃烧持续期主要由高压天然气扩散燃烧控制，未燃CH4主要来自低压天然气，且预混合-扩散复合火焰生成的NOx质量是扩散火焰的2.4倍。此外，较高的低压天然气比例可以降低EISFC和温室气体排放，但 NOx排放略有升高。相对于引燃油喷射正时，引燃油-高压天然气同步正时可以实现对燃烧过程的有效调节。最后通过调节引燃油和高、低压天然气的喷射策略，使50%和 75%负荷工况的 EISFC 分别比原机降低 1.6 和 0.4 g/kWh。 (4) 在多模式燃烧技术与过膨胀循环的耦合控制策略研究中，首先对比分析了可变压缩（VC）循环和可变膨胀（VE）循环对低速双燃料发动机扫气、燃烧和排放的影响；然后对VE循环进行了扫/排气参数的影响研究，并明确合适的参数值；最后将各燃烧模式与VE循环进行耦合控制策略研究。研究结果表明，VC循环的扫气效率较好而VE循环较差，VE循环放热率随着EVO的推迟加速降低，VE循环可以降低EISFC且NOx的减排性价比更高。VE 循环中适宜的滑阀速度为 15.4 mm/℃A，排气门和扫气口的开启间隔为 25℃A。相对原机参数而言，多模式燃烧技术可以使加权 EISFC 最大降低 1.7 g/kWh，加权温室气体排放最大降低 6.9 g/kWh，加权 NOx排放最大降低 9.5 g/kWh。而相对于多模式燃烧技术的性能参数，耦合VE循环策略后可以实现在NOx排放变动较小情况下，加权EISFC 最大降低2.9 g/kWh，加权温室气体最大降低 7.9 g/kWh。
NETL