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氨-柴油双燃料低速机缸内混合燃烧仿真研究

摘要

国际海事组织对船舶航运业提出了2050年实现近零碳排放的目标，以氨、氢等零

碳燃料作为船舶动力装置燃料实现上述目标是目前研究的热点，而低速机是作为远洋船

舶的主要动力装置。按照混合燃烧模式区分，氨-柴油双燃料燃烧包括低压预混燃烧和高

压直喷扩散燃烧模式，低压预混燃烧模式下，通过预燃室射流火焰或直喷柴油引燃稀薄

混合气可以实现低NOx排放，然而，存在较多的氨逃逸以及热效率较低等问题，目前

针对低压氨-柴油双燃料低速机缸内燃烧及排放控制策略的研究仍然较少。因此本文采

用三维数值模拟研究低压氨-柴油双燃料低速机在预燃室射流引燃模式下基于不同研究

参数的氨逃逸、缸内混合与燃烧以及排放性能，并对比预燃室射流引燃与直喷柴油引燃

模式下的燃烧与排放性能，探究实现高效率低排放的技术策略。

首先，通过三维CFD软件CONVERGE建立了单缸二冲程低压氨-柴油双燃料低速

机模型，并完成网格无关性验证；其次，在不同氨气喷气阀出口直径及不同喷气正时下

分析了发动机的氨逃逸量，通过采用小孔径氨气喷气阀并延迟氨气喷气正时可以降低氨

逃逸。

然后，在氨逃逸极低的情况下，研究了氨气喷气阀数量、喷气角度和进气温度对缸

内氨-空气混合的影响规律。四个氨气喷气阀单束氨气射流动量低且相互对撞，射流沿壁

面轴向扩散速度降低，不利于改善混合；喷气角度变化对缸内的涡流比和湍动能有相反

的影响规律，通过合理布置氨气喷气角度以调节缸内涡流比和湍动能的关系可以实现更

均匀的混合效果；此外，进气温度和进气压力升高可以促进氨-空气混合。

另外，研究了预燃室引燃柴油喷射正时、氨气喷气阀布置及进气温度等参数对缸内

燃烧及排放的影响规律，重点对比缸内氨-空气混合效果对燃烧的影响。适当提前柴油喷

o

射正时后点火提前角缩短，发动机热效率提高，NOx略微升高；在-9.0CAATDC曲轴

转角喷柴油，氨-空气混合较好的喷气角度下可以获得更高的热效率；当进气温度和进气

压力升高后发动机负功增加，热效率降低，NOx排放增加。缸内在预燃室出口位置当量

比为0.4~0.5的情况下在预燃室放热停止后更容易维持着火现象而不熄火，而在火焰前

锋面，对于0.3及以上当量比，燃料都可以很好的燃烧。

最后，在不同压缩比下对比研究了预燃室射流引燃与直喷柴油引燃模式下缸内燃烧

及排放的影响，并分析了直喷柴油引燃模式下，引燃柴油喷射量对缸内燃烧及排放的影

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

响。在压缩比16时，相同的柴油喷射量下，预燃室射流引燃与直喷柴油引燃模式都可

以实现正常燃烧，直喷柴油引燃模式由于负功更少，热效率更高；在压缩比为14时，

直喷柴油引燃模式下需要提高引燃柴油的喷射量才可以着火，且气缸中出现多点着火，

火焰面从气缸中心向缸壁传播，热效率升高，NOx和当量碳排放量增加，随着引燃柴油

喷射量增加，缸内平均温度升高，IMEP增加，ISFC降低，NO排放降低，但是NOx和

2

当量碳排放量大幅增加。

关键词：双燃料发动机；氨逃逸；混合特性；预燃室射流引燃；直喷柴油引燃

氨-柴油双燃料低速机缸内混合燃烧仿真研究

Abstract

TheInternationalMaritimeOrganizationhasputforwardthegoalofachievingnear-zero

carbonemissionsby2050fortheshipshippingindustry,andzero-carbonfuelssuchas

ammoniaandhydrogenareusedasthefuelforshippowerunitstoachievetheabovegoalsis

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