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气体燃料船用主机预燃室加浓喷射过程的多维度解析与优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球对环境保护的关注度不断提高，船舶行业面临着日益严格的排放法规限制。气体燃料船用主机因其在有害排放物控制方面的明显优势，近年来在国外学术界和工业界得到高度重视，相关的研究和技术开发近十年来发展迅猛。与传统的柴油主机相比，气体燃料主机能够显著减少硫氧化物（SOx）、颗粒物（PM）的排放，同时氮氧化物（NOx）的减排效果也十分显著，可达85%-90%，二氧化碳（CO2）排放量也能降低15%-20%。此外，气体燃料资源丰富，价格相对稳定，这使得气体燃料船用主机在节能、环保、高效成为船舶内燃机技术发展主导方向的背景下，具有广阔的应用前景。

然而，气体燃料船用主机的燃料系统及燃烧系统与现在普遍应用的直喷式船用柴油机截然不同，其可靠性问题具有相当大的特殊性。其中，预燃室组件的可靠性问题是核心关键之一。为了实现气体燃料的高效稀燃并避免爆震燃烧，采用柴油微引燃天然气的双燃料发动机为船用主机时，经常要采用预燃室结构。在预燃室内形成当量比混合气或稍浓混合气，不仅可以保证可靠点火，还能提高主燃区点火能量，增大主燃室稀混合气的火焰传播速率，从而提高主机的热效率。因此，预燃室是决定气体燃料船用主机性能和可靠性的核心部件。

预燃室加浓喷射过程对气体燃料船用主机的性能有着至关重要的影响。合理的加浓喷射策略能够在预燃室内形成理想的混合气浓度，确保稳定点火和快速火焰传播。这不仅有助于提高燃烧效率，降低燃料消耗，还能减少污染物的排放，使船舶更好地满足环保要求。深入研究预燃室加浓喷射过程，对于优化气体燃料船用主机的设计和运行具有重要的理论和实际意义。

从理论层面来看，目前对于预燃室加浓喷射过程的认识还不够深入，相关的理论模型和研究方法仍有待完善。通过本研究，可以进一步揭示加浓喷射过程中的物理现象和化学反应机制，为建立更加准确的理论模型提供依据，丰富和发展气体燃料燃烧理论。

在实际应用方面，研究预燃室加浓喷射过程能够为气体燃料船用主机的研发和生产提供关键技术支持。通过优化加浓喷射策略，可以提高主机的性能和可靠性，降低维护成本，增强船舶的市场竞争力。这对于推动气体燃料船用主机在船舶行业的广泛应用，促进绿色航运的发展具有重要的推动作用。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对气体燃料船用主机预燃室加浓喷射开展了大量研究。在国外，一些知名的船用发动机制造商如芬兰的瓦锡兰、德国的MANBW等在气体发动机的研制与开发上取得了显著成绩，并对预燃室相关技术进行了深入研究。例如，马勒公司开发的马勒射流点火（MJI）系统，包括主动型和被动型，主动型通过喷油器提高预燃室中的可燃混合气浓度，点火后热自由基传入主燃烧室形成多个着火点，可在稀薄混合气中产生强烈燃烧过程，有效减少平均有效燃油耗约15%或更多。

在国内，大连理工大学的冯立岩等人应用三维CFD软件对某型号中速四冲程气体燃料船用主机的缸内工作过程进行数值模拟，分析了预燃室内燃料加浓策略，结果表明在点火时刻，主机预燃室内形成当量比为1.05的稍浓混合气，有利于稳定点火和火焰快速传播。叶映研究了一台大型低速二冲程船用柴油机改装的柴油-天然气双燃料发动机预燃室系统的布置方案对射流火焰发展过程的影响，以及由此对缸内流动、燃烧和有害污染物氮氧化物生成历程的影响，发现预燃室方案造成射流火焰对撞会对碰撞区域及周围流场产生较大扰动，同时在碰撞区域形成富燃区，抑制该区域内NOx的生成。李树生等在对大缸径天然气发动机燃烧系统开发过程中，设计了小容积预燃室加浅盆型主燃室的燃烧系统，通过数值模拟及试验分析发现大的连接通道夹角有利于加快燃烧室径向的火焰传播速度，但主燃室中心部位燃烧较慢；小夹角方案则相反，且大夹角通道方案有较好的抗爆震性能和排放性能。

然而，当前研究仍存在一些不足。一方面，对于预燃室加浓喷射过程中的多物理场耦合现象，如燃料喷射、混合气形成、燃烧反应以及传热传质等过程之间的相互作用，研究还不够全面和深入，缺乏系统的理论分析和实验验证。另一方面，现有的研究大多集中在特定工况下的预燃室性能研究，对于不同工况下加浓喷射策略的优化和适应性研究较少，难以满足船舶实际运行中复杂工况的需求。此外，在预燃室结构参数与加浓喷射策略的协同优化方面，也缺乏深入的研究，导致预燃室的性能潜力未能得到充分发挥。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入探究气体燃料船用主机预燃室加浓喷射过程，通过数值模拟和实验研究相结合的方法，揭示加浓喷射过程的物理机制和影响因素，优化加浓喷射策略，提高气体燃料船用主机的性能和可靠性。具体研究内容包括：

预燃室加浓喷射过程的数值模拟：利用先进的计算流体力学（CFD）软件，建立气体燃料船用主机预燃室加浓喷射过