低压喷射天然气低速双燃料机缸内燃烧过程优化研究
摘要
目前国内外的污染物排放要求日益严苛，因此国内外开始对清洁燃料（如天然气等）
的燃烧技术进行深入研究，其中比较突出的是以射流火焰作为点火源的湍流射流点火系
统的低温燃烧策略，通过预燃室的引燃油燃烧产生较高的点火能量，在小体积的预燃室
内部形成高动量的射流火焰，引燃主燃室内部的稀混合气体。对于采用预燃室射流点火
模式的双燃料低速船机而言，较高的点火稳定性和较低的NOx排放是区别于传统燃烧
策略的显著特点，但其所面临的爆震等问题极大的限制了发动机功率的提升。因此，本
文采用数值模拟研究双燃料低速船机的燃烧过程，分析爆震的发展规律和影响机制，并
基于多目标优化的设计方法，探究实现高热效率低排放目标的爆震抑制路径。
首先，通过三维CFD软件CONVERGE建立了单缸低压喷射天然气-柴油双燃料低
速船机模型。同时，基于Chemkin构建了新的天然气/柴油双燃料简化化学反应机理，
并进行了高背压环境下混合燃料的点火延迟时间和层流火焰速度验证，并基于新构建的
双燃料机理完成了实际工况下的整机模型验证。
其次，对双燃料船机缸内的流动及燃烧过程进行分析，研究了压缩比、预燃室数量
及引燃油量等参数对发动机性能、燃烧及排放特性的影响，分析了缸内燃烧过程中各物
种的变化情况，对压力震荡的幅频特性和影响因素进行了规律性总结，并对爆震工况下
的端气自燃现象进行分析；然后，采用废气再循环和氢气掺混的方法，研究不同EGR率
和H2替代率对缸内燃烧过程的影响；最后，基于正交实验设计，对多组EGR率和H2替
代率的匹配方案进行响应面分析，研究各控制变量和多个目标输出（NOx、ISFC、MAPO）
之间的函数关系，以期得到最佳的控制变量组合并对各输出参数进行合理预测。
通过上述研究得出，双预燃室模式下的爆震强度更小，零件的热负荷更低，但NOx
排放偏高，热效率和单预燃室模式相当，且单、双预燃室的爆震均为（1,0）模式的低频
压力震荡；缸内的压力震荡强度与HO最大时对应的未燃质量分数呈指数的变化关系，
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当未燃质量超过27%时，压力震荡强度会出现显著增加；而通过EGR率和H2替代率的
协同优化，能够在降低NOx排放的同时，提升整机热效率，减轻压力震荡强度，通过回
归模型预测的最佳匹配方案为44.1%EGR率和14.1%的H2替代率，其对应的NOx排放、
油耗及压力震荡强度分别为6.7g/kWh、129.5g/kWh、0.128MPa。
关键词：双燃料发动机；爆震；预混燃烧；参数匹配研究；多目标优化
低压喷射天然气低速双燃料机缸内燃烧过程优化研究
Abstract
Atpresent,therequirementsforpollutantemissionathomeandabroadarebecoming
increasinglystringent,sodomesticandforeignbegantoconductin-depthresearchonthe
combustiontechnologyofcleanfuels(suchasnaturalgas,etc.),amongwhichthemore
prominentisthelow-temperaturecombustionstrategyoftheturbulentjetignitionsystemwith
jetflameastheignitionsource,whichproduceshigherignitionenergythroughtheignitionfuel
combustionofthepre-chamber,formsahigh-momentumjetflameinthesmallvolumeofthe
pre-chamber,entersthemaincombustion