双燃料低速船机火焰传播和局部自燃的基础研究

Developing dual-fuel low-speed (two-stroke) marine engines is an important content of the Adjustment of Energy Structure in China. However, the knocking issues under heavy load conditions have become the key bottleneck for its development. Because of the large-bore, low-speed, strong-swirl and high temperature and pressure characteristics, there are some particularities for the knocking formation of dual-fuel two-stroke marine engines. Around these characteristics of marine engines, visual experiments and multi-dimensional numerical simulations on Heavy Rapid Compression Machine will be carried out to fundamentally study the flame propagation and local auto-ignition of natural/diesel dual-fuel, with an attempt of exploring the knocking formation in large-bore and low-speed engines. Effect mechanism of high temperature and pressure conditions on pilot-injection ignited flame propagation and local auto-ignition will be investigated. Turbulence in large space will be accounted for to study the effect of weak swirl turbulence on flame development and local auto-ignition distributions. On this basis, the effects of flame propagation and local auto-ignition on knocking intensity will be analyzed in terms of long time-scale conditions. Current investigations have great academic value and engineering guidance in the formation mechanism of knocking combustion of dual-fuel engines and the promotion of independent research and development of high power engines in our country.

双燃料低速（二冲程）船机是我国能源结构调整战略的重要内容，但大负荷下的爆震问题是限制其发展的突出瓶颈。由于大缸径、低转速、弱湍流和高温高压的特点，其爆震燃烧形成机理具有特殊性。本项目拟结合重型快压机可视化实验和多维数值模拟方法，围绕双燃料低速船机的上述特点，开展天然气/柴油双燃料火焰传播和局部自燃的基础研究，探索双燃料低速船机爆震燃烧形成机理。主要内容包括：研究高温高压热力学条件对微引燃火焰传播和混合气局部自燃的影响机理；考虑大空间湍流运动，研究弱湍流对微引燃火焰发展和局部自燃分布的影响规律；基于上述结果，分析长时间尺度下火焰传播和局部自燃规律对爆震燃烧的影响机理。该研究对于进一步揭示双燃料发动机爆震燃烧机理及促进我国大功率发动机自主研发具有重要的学术价值和工程指导意义。

大功率发动机（如低速船机）具有大缸径、低转速、弱湍流和高温高压特点，其大负荷爆震燃烧形成机理具有特殊性。项目结合快压机可视化试验和高精度数值模拟方法，围绕高温高压、大空间弱湍流和燃烧时空尺度三个关键科学问题，研究了高温高压热力学状态对火焰传播和混合气局部自燃的影响机理，研究弱湍流对火焰发展和局部自燃分布的影响规律，探究了长时间尺度下火焰传播和局部自燃对爆震的影响机理。捕捉到了火焰传播、局部自燃和爆震全过程，发现高温高压下主火焰加速传播促进二次自燃并诱发爆燃向爆轰转变；热力学边界通过改变临界反应活性梯度影响自燃发展和燃烧模式转变，提出了基于反应活性和有效能量密度协同调控爆震的学术思路。构建了面向发动机的碳氢燃料的爆震模式图谱，解析了辛烷值敏感度与焰前放热和发动机爆震的关联机制，从低温氧化反应角度完善了爆震理论。发现了爆震强度与湍流强度的非单调变化关系，明确了热力学-化学-湍流相互作用对自燃及爆震的作用机制，发现了湍流条件下两种爆震燃烧机理，提出了一种着火模式判定方法。探明了火焰传播与末端自燃竞争机制及其对爆震强度的影响，发现高活性燃料和大热点半径更倾向于诱发爆燃转爆轰，首次观测到喷雾撞壁引发的超级爆震现象，揭示了复杂燃烧边界条件下油气混合与燃烧放热机制。. 发表各类学术论文37篇，其中SCI论文24篇，会议论文4篇，EI/核心论文8篇。申请发明专利15项，其中PCI国际专利1项，授权发明专利4项。研究成果获得了英、美、日、俄等多国院士专家的高度评价和正面引用，并在吉利汽车、潍柴动力和上汽通用五菱等企业得到应用。培养博士生2名、硕士生5名，获得天津市创新人才推进计划1人，中国汽车工程学会优秀博士学位论文1人，研究生国家奖学金3人。研究成果有助于提升对发动机爆震现象的本质的认识，为实际发动机燃烧过程优化和爆震抑制提供理论支撑和工程指导。