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能源紧张和环境污染一直是当前国际上面临的共同问题。远洋船舶作为高效经济运输工具的同时向海洋排放了大量的污染物,加之船舶排放法规日益严格,船舶降排技术成为各国研究的重点。选用储备量丰富、清洁的天然气作为柴油、重油的替代燃料是解决能源紧张及降低船机排放的有效措施。采用柴油引燃缸内直喷天然气的技术,可以在降低排放的同时保持与柴油机相当的热效率和功率,但在一些工况,柴油与天然气的喷射参数不恰当会导致缸内发生强烈的爆震燃烧,造成发动机结构的损害。首先,本文在CONVERGE(版本2.3)程序中搭建了定容弹三维模型,并进行了验证。在此基础上,研究了双燃料喷雾燃烧过程以及引燃柴油质量和天然气喷射时刻对天然气着火和燃烧过程的影响。研究表明,在天然气射流火焰内不同的温度和浓度区域存在特定的组分分布;给定的引燃油量及天然气喷射时刻对应天然气最佳的预混和扩散燃烧。这为研究HPDI(High pressure direct injection)双燃料船用发动机的燃烧过程垫定了理论基础。随后,本文在CONVERGE(版本2.3)中搭建了船用发动机三维仿真模型,并进行了验证。研究了双燃料喷射时刻、引燃柴油量及扫气温度对HPDI模式爆震燃烧的影响。研究表明,天然气喷射时刻的提前增大了天然气预混燃烧的比例,爆震燃烧更为明显。而引燃油喷射提前导致两种燃料同时发生非正常燃烧的现象,压力振荡强度升高明显。过后推迟柴油喷射,发生了天然气压燃的现象,缓解了燃烧初期柴油滞燃期延长导致的剧烈爆震燃烧。从引燃柴油量考虑,当柴油占比为7.5%时,压力振荡强度最大。当柴油占比为5.3%时,压力振荡强度最小。不同扫气温度对缸内平均压力的影响差距不大,当扫气温度为407 K时,瞬时压力振荡最为剧烈。当扫气温度为347 K时,压力振荡幅值最低且持续期较短。基于前文研究,本文进一步研究了米勒循环和天然气两次喷射对爆震的抑制效果。结果表明,从抑制爆震效果及保证动力性综合考虑,排气门应推迟4°CA关闭;天然气两次喷射引起预混气体量的改变对爆震的抑制效果十分明显。综上,本文系统研究了HPDI模式双燃料船机喷雾和爆震燃烧,结果对新型天然气船机的开发具有较强的工程指导价值。