造船——天然气发动机燃烧室形状的优化设计.pdfVIP

天然气发动机燃烧室形状的优化设计 王斌，赵辉 （上海交通大学，上海 200240） 摘 要 近年来，以直喷微量柴油的方式引燃天然气实现稀薄燃烧，是高效低污染燃烧模式在船舶动 力和发电机组等应用领域的研究热点。这种燃烧方式可以显著提高天然气的利用效率，实现无碳烟、 超低氮氧化物（NOx）排放的清洁燃烧。然而，较高的CO、THC （主要是甲烷）排放以及高效率区域的 燃烧稳定性控制等难题亟待解决。本文通过计算流体动力学（CFD）与详细化学反应机理的耦合，建立 柴油喷射微引燃天然气发动机的仿真模型。利用实验数据标定仿真模型使之准确后，通过喷油与燃烧 室优化匹配的策略探索控制CO 与HC 排放，减少传热损失以提高热效率，为发动机燃烧系统设计与优 化提供理论基础。研究结果表明：通过多目标优化得到的Deep 型燃烧室可以有效降低HC 和CO 排放， 同时提高发动机的热效率，并保持NOx 不会出现恶化现象。 关键词 天然气；微引燃；数值模拟；燃烧室优化 0 前言 [1] 船舶领域中大量使用柴油机作为动力源 。国际海事组织（International Maritime Organization，简称IMO ）先后推出了IMO Tier 系列排放法规，不断强化对船用柴油机 [2] 尾气 （特别是氮氧化物(NOx)和碳烟(Soot) ）排放的控制 。因此，寻求更为清洁的船用 柴油机代用燃料和更为高效清洁的燃烧方式，已经成为当今内燃机和燃烧学界的研究热 点之一。 近年来，全球对于天然气的开采量不断攀升，成为继煤和石油之后世界第三大石化 [3-5] 能源，有望成为21 世纪的主导能源之一 。天然气的主要成分为甲烷(CH ) 。与传统汽、 4 柴油相比，天然气的氢、碳原子比高，燃烧时排放的二氧化碳(CO )少；天然气抗爆性好， 2 发动机可以采用更大的压缩比以提高燃烧效率；天然气的可燃混合气着火界限宽，更加 适合采用稀薄燃烧技术提高发动机的热效率。 国内外对于天然气发动机的研发已经开展了大量卓有成效的工作。目前，应用较多 的是在汽油机的基础上，保持原有供油系统不变，增加一套压缩天然气的供给装置。这 种改制方式较为简单，与原汽油机相比具有明显的价格与排放优势，主要在出租车行业 [6-7] 有较为广泛的应用 。但这种汽油-天然气两用燃料发动机基于原机设计方案，诸如压 [8] 缩比、进排气道、燃烧室型式及点火系统，都没有针对性的优化调整与设计 。因此， [9] 两用燃料发动机并没有充分发挥天然气的燃料优势，动力性能下降明显 。 因此，基于压燃式发动机的本体结构和双燃料工作方式，将微量柴油喷入缸内引燃 稀薄天然气，称之为柴油微引燃天然气发动机。日本三菱重工采用了预燃室引燃方式， 即在预燃室内喷入约为发动机投入总热量 1%的微量柴油，利用柴油的自着火来点燃副 室中天然气可燃预混合气，产生的火焰进而喷入主燃烧室内点燃天然气的稀薄预混合气 [10] 。引燃用柴油虽然量少，但其释放的热量约为火花塞点火能量的数千倍，可以实现更 为稳定的着火源。日本三井造船开发了直喷微引燃技术，并成功应用在其MD-G 系列燃 气发动机上。与预燃室微引燃方式相比，直喷微引燃发动机燃烧室结构更为简单，起动 [11] 更为迅速 。 柴油微引燃天然气发动机可以有效降低NOx 和Soot 排放，但同时会产生较高的未 燃碳氢(THC)和一氧化碳(CO)排放[12-16] 。Ishiyama