船用缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机湍流燃烧基础研究

The high pressure direct-injection (HPDI) marine LNG engine with micro-diesel pilot ignition has a power equivalent to that of the original diesel engine, and its air pollutant emissions are significantly lower than those of the original engine. Therefore, the HPDI engine shows wide application prospect in the ship domain. The in-cylinder combustion process in the engine is associated with complex interaction between physics and chemistry, and it involves three stages including auto-ignition of the pilot diesel, ignition of the LNG by the auto-ignited diesel and combustion of the LNG. At present, the insight to the in-cylinder turbulent combustion mechanism of HPDI engine is not sufficient, limiting the self-design and development of the HPDI engine. Therefore, in the present project, the effect of the high-pressure direct injection of micro diesel and LNG fuel on the formation of the mixture and three-stage combustion process will be explored to expound the effect of in-cylinder turbulence on the flame and flame dynamics. Then the kinetic effect of the addition of the micro diesel on the ignition and oxidation of LNG will be analyzed to develop and validate a combustion reaction kinetic mechanism which can accurately predict the three-stage combustion process. Finally, a high-efficiency and high-accuracy computational model for the combustion process in the HPDI engine will be developed to reveal the three-stage combustion characteristics and generation and evolution of the pollutants. On this basis, the interaction between in-cylinder turbulence and chemical reaction mechanism will be explored. The present investigation is of great importance for the optimization of the combustion process and the self-design of the HPDI marine LNG engine with micro-diesel pilot ignition.

缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机既能保持原有动力性又能大幅降低污染物排放，因此在船舶领域具有广阔应用前景。该类型发动机缸内燃烧包括微量柴油自燃、LNG被引燃和LNG燃烧三个阶段，是复杂的物理化学作用过程，其内在燃烧机制认识尚不充分，制约着此类发动机的自主设计开发。本项目将探索微量柴油喷雾和天然气高压直喷对可燃混合物形成及三阶段燃烧特性的影响规律，阐明缸内湍流对火焰及火焰动力学的影响机制；深入分析微量柴油添加对LNG着火和氧化过程的化学动力学影响规律，构建、验证并优化出满足三阶段燃烧计算的多组分燃料化学动力学机理；建立化学反应和缸内湍流共同控制的高精度柴油微引燃LNG发动机湍流燃烧计算模型，在此基础上，阐明缸内三阶段燃烧特性以及污染物生成和迁移规律，揭示缸内湍流和化学反应相互作用机制。该研究可为船用缸内高压直喷柴油微引燃LNG发动机燃烧优化和自主设计开发提供重要理论支撑。

相对于传统柴油，LNG燃料含硫量极少、碳氢比率低，若将其应用到船舶发动机上，可有效降低SOx、PM和CO2等排放，因而在船舶领域具有广阔应用前景。根据LNG进气方式，可将船用LNG发动机分为缸外进气和缸内进气两大类，对于船用缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机，主要是在发动机压缩上止点附近，将微量柴油和天然气分段高压直接喷入气缸内，实现高压直喷扩散燃烧。该类型发动机缸内燃烧包括微量柴油自燃、LNG被引燃和LNG燃烧三个阶段，是复杂的物理化学作用过程，但其内在燃烧机制认识尚不充分，制约了该类型发动机的自主设计开发。为此，项目组针对该类型发动机，根据其缸内可燃混合物形成特点和三阶段燃烧特征，构建了微量柴油喷雾和天然气喷射模型，并据此研究了燃料喷射参数和几何参数对LNG-柴油混合燃料射流发展和可燃混合物形成的影响规律；结合组分浓度分布与放热参数，分析了不同环境温度、天然气浓度和柴油喷射量等条件下混合燃料着火燃烧特性。在发动机缸内混合燃料燃烧反应动力学方面，结合激波管试验与混合燃料化学动力学机理，研究了柴油含量、初始温度和压力以及当量比等对LNG着火延迟时间的影响，并从反应路径、主要自由基浓度以及主要基元反应反应速率等角度分析了该影响的化学动力学机制；此外，对LNG-柴油混合燃料化学动力学机理开展了简化研究。在缸内湍流与化学反应耦合机制方面，首先建立了缸内湍流与化学动力学耦合的发动机燃烧高效数值计算模型，据此研究了混合燃料喷射时刻、天然气喷射时刻与持续期、柴油喷射时刻与持续期等参数对柴油微引燃LNG发动机燃烧与排放特性的影响规律；从缸内当量比分布以及火焰发展过程等角度，研究了柴油与天然气喷孔夹角、天然气喷射时刻与喷射持续期改变时柴油微引燃LNG发动机缸内湍流与化学反应的作用结果。本项目取得的研究成果可为船用缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机燃烧过程调控及其设计开发提供重要理论支撑。