【摘 要】
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随着能源危机与全球变暖问题日益严峻,优化燃烧模式和寻找清洁替代燃料已成为现阶段内燃机节能减排的研究重点。甲醇是一种比较理想的发动机替代燃料,具有合成途径多、含氧量高、抗爆性好和硫含量为零等优点。此外,还可通过发动机排气高温将甲醇裂解为主要由氢气和一氧化碳构成的甲醇裂解气（Dissociated Methanol Gas,DMG）,回收部分排气热量,进而提高发动机热效率。甲醇掺混甲醇裂解气形成“醇氢
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随着能源危机与全球变暖问题日益严峻,优化燃烧模式和寻找清洁替代燃料已成为现阶段内燃机节能减排的研究重点。甲醇是一种比较理想的发动机替代燃料,具有合成途径多、含氧量高、抗爆性好和硫含量为零等优点。此外,还可通过发动机排气高温将甲醇裂解为主要由氢气和一氧化碳构成的甲醇裂解气（Dissociated Methanol Gas,DMG）,回收部分排气热量,进而提高发动机热效率。甲醇掺混甲醇裂解气形成“醇氢”燃料,再结合预燃室式结构实现分层稀薄燃烧,能够进一步的节能减排。本文基于一款预燃室式大缸径船用发动机,采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）和化学反应动力学耦合的数值模拟方法计算发动机燃烧过程,研究过量空气系数和点火正时对采用单一甲醇燃料的大缸径预燃室式发动机性能的影响,以及甲醇裂解气掺烧率和过量空气系数对大缸径预燃室式醇氢发动机性能的影响。研究结果表明:（1）在以甲醇为单一燃料的大缸径预燃室式发动机中,随着主燃室过量空气系数由2.0增加到2.8,燃烧持续期从10.0°CA延长到22.3°CA,缸内最高压力从23.0 MPa下降到18.0 MPa,声响强度（Ringing Intensity,RI）从7.2 MW·m-2降低到1.3 MW·m-2,同时NOx排放从0.7 g·（k W·h）-1持续降低到0.1 g·（k W·h）-1。过量空气系数为2.4时,可获得最高的指示热效率49.2%,此后,燃烧效率不断下降,而热力学效率持续升高,使得指示热效率降低,而CO和HC排放快速升高。（2）主燃室过量空气系数为2.1时,随着点火正时从-8°CA ATDC推迟到上止点,燃烧重心后移,燃烧持续期延长,最大压力升高率和声响强度显著下降,指示热效率略有降低。在点火正时为-4°CA ATDC时,声响强度为3.5 MW·m-2,低于5.0 MW·m-2的限值,平均指示压力（Indicated Mean Effective Pressure,IMEP）为2.3 MPa,可获得较低的排放和较高的热效率,综合性能可达到市场上先进代用燃料发动机的水平。（3）在甲醇掺烧甲醇裂解气的大缸径预燃室式醇氢发动机中,主燃室过量空气系数为2.1时,甲醇裂解气的掺烧率从0%提高到20%,氢气含量增加能够有效地提高火焰传播速率,使得燃烧持续期由14°CA缩短到11.5°CA,发动机燃烧等容度提高,缸内压力峰值、声响强度和燃烧效率持续上升,在甲醇裂解气掺烧率为20%时的指示热效率达到47.3%,整体指示热效率达到48.7%,声响强度为1.9 MW·m-2,远低于5.0 MW·m-2的限值,IMEP稍有降低,但均能够保持在2.2 MPa以上。与未掺烧甲醇裂解气的方案相比,掺烧甲醇裂解气方案的NOx排放有所增加,最大值为0.7 g·（k W·h）-1,HC排放最多降低82.1%,CO排放最多降低98.4%,均低于船用发动机排放法规相对应的限值。（4）掺烧甲醇裂解气能够提高自由基浓度,促进混合气燃烧,其中H自由基具有先导性。但是,H自由基变化率低于OH自由基变化率5个数量级,OH自由基在甲醇和甲醇裂解气氧化反应中起主要作用,OH自由基也是高温反应区域的标识。CH2O主要分布在温度较低的火焰前锋面,随着甲醇掺烧率的提高CH2O净增长量的峰值出现位置提前。（5）甲醇掺烧15%的甲醇裂解气,过量空气系数为2.4时,指示热效率达到最大值48.7%,整体指示热效率为49.8%,在过量空气系数非常大（大于2.6）的条件下,甲醇掺烧15%的甲醇裂解气与单一甲醇燃料方案相比,促进混合气燃烧的作用更为明显,提升燃烧效率的幅度更大。随着过量空气系数的增加,NOx排放不断减小,最小值为0.5 g·（k W·h）-1;HC和CO排放不断增加,最大值分别为0.5 g·（k W·h）-1和20.7 g·（k W·h）-1,燃烧持续期逐渐增大,声响强度不断降低。
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