【摘 要】
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低速船用高压直喷天然气发动机因其热效率高和排放低而成为研究热点,是目前最有前途的低碳技术发动机之一。基于低速船用高压直喷天然气发动机缸内着火和燃烧特征,本文首先研究了低速船用高压直喷天然气发动机条件下甲烷/正庚烷混合燃料着火过程,然后研究了不同分层度条件下不同燃烧阶段的燃烧动力学过程。采用多种简化方法将详细动力机理简化得到适用于低速船用发动机的极度简化机理,并将极度简化机理应用于计算流体力学（CF
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低速船用高压直喷天然气发动机因其热效率高和排放低而成为研究热点,是目前最有前途的低碳技术发动机之一。基于低速船用高压直喷天然气发动机缸内着火和燃烧特征,本文首先研究了低速船用高压直喷天然气发动机条件下甲烷/正庚烷混合燃料着火过程,然后研究了不同分层度条件下不同燃烧阶段的燃烧动力学过程。采用多种简化方法将详细动力机理简化得到适用于低速船用发动机的极度简化机理,并将极度简化机理应用于计算流体力学（CFD）模拟验证了极度简化机理模拟低速船用高压直喷天然气发动机燃烧和排放过程的准确性。最后将极度简化机理用于模拟废气再循环（EGR）和喷射策略对性能和排放的影响,并提出了满足EPA Tier IV排放法规的控制策略。首先模拟了正庚烷在不同着火阶段产生的高活性中间产物对甲烷/正庚烷混合燃料着火的影响。研究表明,即使少量的中间产物在低温条件下对甲烷/正庚烷混合燃料着火也有显著促进作用,随着中间产物浓度增大,对甲烷/正庚烷混合燃料滞燃期影响增大。正庚烷着火过程中产生了一些中间产物(如C2H4、C5H10-1、CH2CO等)在低温条件下对甲烷/正庚烷混合燃料着火有抑制作用,但在高温条件下对着火有促进作用。温度在所有工况下对甲烷/正庚烷混合燃料滞燃期都有显著影响,中间产物会显著削弱当量比和甲烷质量分数对滞燃期的影响。当中间产物中OH等自由基浓度较高时,当量比在高当量比条件下对甲烷/正庚烷混合燃料着火有抑制作用。中间产物会削弱与正庚烷相关的基元反应对着火的影响。中间产物对甲烷/正庚烷混合燃料着火过程中高温阶段反应影响较小,主要通过加快低温阶段反应从而促进着火。此外,中间产物对甲烷和正庚烷的大部分反应路径都影响较小,对正庚烷着火过程中裂解反应有促进作用。燃料分层度对着火位置和着火时刻都有显著影响,对着火时刻（CA1）和初始燃烧阶段（CA5）高放热区的代表性放热反应也有显著影响,但对预混燃烧（CA10）和扩散燃烧阶段（CA50）高放热区的代表性放热反应影响较小;对四个燃烧阶段OH和CH2O的代表性生成反应影响都有限。燃料分层度越小,被OH消耗的CH4比例越大。预混燃烧阶段更多CH4被OH消耗,而扩散燃烧阶段被H消耗的CH4增多。甲烷的反应路径分析发现,随着天然气喷射时刻提前,从CH3O到CO的反应路径发生显著变化。在扩散燃烧阶段,CH2、CH2O和HCO的消耗路径与预混燃烧阶段有显著差异。通过反应路径分析、敏感性分析等方法得到一个35步反应的正庚烷极度简化机理;然后基于Hychem方法得到一个27步的正庚烷高温氧化机理。两个极度简化机理能够很好地预测正庚烷、甲烷以及甲烷/正庚烷混合燃料的滞燃期。但仅能在部分条件下很好地预测甲烷和正庚烷的中间组分和层流燃烧速度。将两个极度简化机理和两个半详细机理应用于低速船用高压直喷天然气发动机的三维CFD模拟验证了两个机理预测的发动机燃烧和排放特性的准确性,且两个极度简化机理可以显著缩短三维CFD模拟的时间。将极度简化机理应用于模拟控制策略对低速船用高压直喷天然气发动机燃烧和排放的影响。当EGR率小于10%时,缸压和放热率略有提高;但当EGR率大于10%,随着EGR率增大,缸压和放热率降低;指示燃油消耗（ISFC）和NOx排放降低、碳烟排放升高。EGR耦合绝对喷射时刻和天然气喷射时刻提前可以显著改善发动机燃烧性能。随着绝对喷射时刻或天然气喷射时刻提前,缸压和放热率升高,ISFC降低,但NOx排放升高。整体上NOx排放始终低于EPA Tier IV排放限值,但碳烟排放始终高于排放限值。EGR耦合预喷策略同样可以改善发动机性能,当预喷比例为30%时,喷射间隔增大对缸压、放热率、ISFC、NOx和碳烟排放影响较小。预喷比例增大使缸压和放热率显著升高,ISFC降低,但NOx排放升高,且工作过于粗暴。本文对低速船用高压直喷天然气发动机缸内着火和燃烧机理研究对控制燃烧过程具有重要意义;开发的极度简化机理以及控制策略对发动机燃烧和排放特性的影响研究对于我国低速船用高压直喷天然气发动机的开发具有重要应用价值和指导意义。
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