船用LNG-柴油双燃料燃烧反应动力学及其与发动机缸内流体动力学协同作用的基础研究

China has been actively developing LNG(Liquefied Natural Gas)-fueled ship today, and the dual-fuel (DF) combustion mode, i.e., premixed LNG is first charged and then ignited by pilot diesel, is employed in the main engine of the ship. With this combustion mode, both the chemical reaction and in-cylinder flow have significant effects on the combustion process. Unfortunately, since the paucity of basic combustion data and chemical kinetic mechanism of the marine DF of LNG & diesel, the computational study of combustion characteristics by coupling fluid dynamics and chemical kinetics has been limited. As a result, it is difficult to carry out the combustion optimization and controlof DF engines. To address this deficiency, the present research aims to: (1) obtain sufficient combustion data of the DF using shock tube and constant-volume combustion vessel experiments to analyze the ignition and flame propagation characteristics of the DF; (2) estimate the kinetics influence of the components of LNG and diesel on the DF combustion process to develop the multi-component fuel surrogates model and combustion reaction kinetic mechanism for the DF; (3) develop a comprehensive computational-model for the comubstion process in DF engines by coupling chemical kinetic mechanism and multi-dimensional CFD (computational fluid dynamics) model. Based on these, the effects of chemical reaction and in-cylinder flow on the combustion process of DF engines can be revealed by numerical calculation and engine test, and a high-efficiency clean combustion mode based on the interaction between chemical reaction and in-cylinder flow will be proposed. The present research is capable of providing a new approach and theoretical basis to combustion optimization and control for the marine LNG & diesel dual-fuel engines.

我国正积极开发LNG燃料动力船舶，其发动机主要采用LNG缸外预混进气-柴油缸内直喷双燃料燃烧模式，化学反应和缸内流动对该模式下的燃烧过程都有显著影响，而船用LNG-柴油双燃料基础燃烧数据和燃烧化学反应动力学（简称化学动力学）机理不完善，无法实现化学动力学与流体动力学的耦合计算，制约了双燃料发动机缸内燃烧规律研究，以致难以实现燃烧优化控制。本项目通过激波管和定容燃烧弹实验获取丰富的基础燃烧数据，分析双燃料着火与传播特性；重点研究LNG和柴油组分对混合燃料化学动力学的影响规律，构建双燃料的多组分替代物模型燃料及其化学动力学机理；建立化学动力学与发动机多维CFD耦合的燃烧综合计算模型，通过数值计算和发动机台架试验，揭示化学反应和缸内流动对双燃料发动机燃烧的影响规律，探索化学反应和缸内流动协同作用的高效清洁燃烧机制。该研究可为船用LNG-柴油双燃料发动机的燃烧优化控制提供重要理论支撑。

对于船用LNG-柴油双燃料发动机，根据燃料进入气缸内的方式可分为两种，其中一种是LNG与空气在进气道预混、柴油在压缩上止点附近通过直喷进入气缸，这种形式的双燃料发动机只需在船用柴油机进气道上安装LNG喷射装置并适当调整涡轮增压设备，改动相对较小，受到广泛关注。船用LNG-柴油双燃料发动机台架试验表明，在低负荷区，不恰当掺烧LNG将会引起“后燃”甚至“失火”、发动机转速不稳定、能耗及HC排放迅速升高；在重载高负荷区，不恰当掺烧LNG则可引起发动机“敲缸”和NOx排放升高等。因此，对于船用LNG-柴油双燃料发动机，本项目首先以甲烷-正庚烷混合物作为LNG-柴油双燃料的替代物，利用激波管试验装置和球形传播火焰分别研究了双燃料的着火与火焰传播特性，获取了丰富的双燃料基础燃烧试验数据，分析了压力、温度、当量比以及燃料掺混比等初始条件对双燃料着火与火焰传播特性的影响规律，并从化学动力学的角度解析了该影响规律。在双燃料化学动力学机理方面，本项目根据双燃料的成分分布、C/H比、十六烷值和低热值等目标参数构建了一种七组分替代物，即甲烷-乙烷-丙烷-正十二烷-异辛烷-环己烷-甲苯混合物，其中前三种为LNG燃料替代物组分，后四种为柴油替代物组分。基于该替代物，本项目构建了双燃料化学动力学机理，并从着火延迟时间和组分浓度的角度验证了该机理的预测准确性。利用Converge软件，基于所构建的双燃料化学动力学机理，本项目建立了化学动力学与多维CFD耦合的双燃料发动机缸内燃烧计算模型，其中采用LES方法来处理缸内湍流过程。根据双燃料发动机台架试验结果，本项目对该计算模型进行了验证。在此基础上，研究了双燃料喷射参数、进气压力和温度以及当量比等边界条件对双燃料发动机性能和排放的影响规律，并结合发动机缸内温度等参数的分布分析了化学反应与缸内流动的相互作用规律。本项目的执行为实现船用LNG-柴油双燃料发动机缸内高效清洁燃烧提供了重要理论支撑。