船用氨/柴油双燃料低速机喷射策略研究
摘要
随着化石燃料的大量使用，温室气体排放与日俱增，导致了温室效应的加剧，为控
制温室气体排放，遏制全球气温升高，IMO和主要国家均制定了严格的减排政策和中长
期脱碳目标，航运业面临的脱碳形势十分严峻。本文针对高压直喷模式下的船用氨/柴油
双燃料低速机的喷射策略进行了数值模拟研究，探究不同喷射策略对发动机做功能力提
升和污染物减排的作用效果，并综合各策略的优势制定实现高功率低排放的喷射方案。
主要研究内容如下：
（1）建立了船用氨/柴油高压双燃料发动机三维仿真模型，并结合实验数据进行了
模型验证。选择了两种常见的双燃料喷嘴布置形式，并在每种形式下研究了不同引燃油
量方案。结果表明：两种喷嘴布置形式均可达到原机功率水平，双燃料喷嘴紧邻布置（方
案一）对缸内气流的影响更大，使氨燃烧起始时刻提前，而双燃料喷嘴周向均匀布置（方
案二）燃烧速度更快，做功能力更强，但由于着火较晚，存在压力和放热率陡增的现象，
增加发动机的机械负荷和热负荷；由于氨会将部分NO还原为N，与柴油模式相比，
X2
氨/柴油模式下的NO排放大幅降低；各方案下的NO排放随着引燃油量的增加而降低，
X2
但始终高于柴油模式；GHGs排放随着引燃油量的增加而升高，但远低于柴油模式；此
外，与方案二相比，方案一的各类物质排放均较低，具有更好的排放特性。
（2）综合做功能力和排放情况，选择方案一的喷嘴布置形式和3%引燃油量为研究
工况，分别研究喷射正时和多段喷射等喷射策略对发动机燃烧及排放的影响，并总结燃
烧放热和物种质量变化规律。结果表明：双燃料喷射正时同步提前可提升发动机动力性
能，尽管NOX排放增加，但始终低于柴油模式，GHGs相比柴油模式也实现了大幅降低；
提前柴油喷射正时使做功能力先升高后降低，在喷射正时为-4°CA时达到最值，NOX排
放进一步降低，但GHGs排放升高；提前液氨喷射正时可提升做功能力，但NOX排放
升高，推迟液氨喷射正时可使NOX排放降至3.4g/kWh以下，但做功能力也随之下降，
提前或推迟液氨喷射正时均会增加GHGs排放，且提前液氨喷射正时的影响更大；增加
液氨预喷比例可显著提升做功能力，NOX和GHGs也随之升高，延长预喷间隔可降低
NOX排放，GHGs排放仍会升高，但所有方案下NOX和GHGs始终保持在柴油水平以
下；增加后喷比例和延长后喷间隔会降低做功能力，但采用后喷策略可以较容易地将
NOX排放降至3.4g/kWh以下。
I
哈尔滨工程大学硕士学位论文
（3）耦合提升功率和降低排放的喷射策略，以探索同时实现高功率和低排放的燃
烧策略。结果表明：采用双燃料喷射正时同步提前耦合液氨部分后喷策略时，-4°CA/-
3°CA耦合后喷10%方案IMEP和ITE得到了保证，NOX排放降低，虽然GHGs排放略
高，但其增量可忽略不计；采用提前液氨喷射正时耦合液氨部分后喷策略时，-3°CA耦
合后喷10%方案IMEP和ITE仅略微降低，NOX排放低于3.4g/kWh，且GHGs排放最
低；采用液氨三段喷射策略时，预喷30%耦合后喷20%方案IMEP和ITE均升高，NOX
排放低于3.4g/kWh；对比不同耦合策略得出，若降低GHGs排放要求，预喷30%耦合后
喷20%方案性能最为优异，若降低NOX排放要求，-5°CA耦合后喷10%方案最佳，若
同时考虑GHGs和NOX排放，则-3°CA耦合后喷10%方案更具有应用价值。
本文通过对不同喷射策略下的发动机综合性能进行研究，总结了燃料喷射参数对发
动机燃烧及排放特性的影响规律，研究成果可为船用氨/柴油高压双燃料发动机的应用
提供理论参考，并为发动机性能优化提供改进思路。
关键词：氨燃料发动机；柴油引燃；数值模拟；喷射策略；燃烧及排放