预燃室式双燃料低速船用发动机现象学燃烧模型
摘要
为应对气候变暖，减少航运业温室气体排放，以高热值、高氢碳比的天然气为替
代燃料的双燃料低速船用发动机成为了远洋船舶的研究热点。其中预燃室式双燃料低
速船用发动机采用预混燃烧理念，可以不采用任何后处理技术满足国际海事组织制定
的TierIII排放法规，受到了船舶行业的关注。但预燃室式双燃料低速船用发动机的预
混燃烧理念导致输出功率低。因此，要通过性能优化来提升功率，但性能优化仿真中，
很少有用于预燃室式双燃料低速船用发动机的普适性的现象学燃烧模型。因此，本文
开发了一个完整的、具有普适性的预燃室式双燃料低速船用发动机现象学燃烧模型。
本文根据预燃室式双燃料低速船用发动机燃烧过程，构建了包括引燃油引燃子模
型、预燃室燃烧子模型、射流火焰子模型、主燃室湍流子模型和湍流卷吸燃烧子模型
的现象学燃烧模型。引燃油引燃子模型和预燃室燃烧子模型均采用现有的成熟模型，
重点研究了其余三个模型的构建。首先，参考成熟湍流模型，并考虑主燃室内射流火
焰、压缩、燃烧和扫气过程四大因素，构建了主燃室湍流模型；其次，为模拟射流火
焰参与主燃室燃烧，依据射流火焰与混合气的动量和质量交换，构建了射流火焰卷吸
燃烧子模型；然后，依据湍流卷吸模型原理，考虑层流火焰影响，构建了湍流卷吸燃
烧子模型，并考虑火焰与壁面的接触，构建了燃烧火焰面积模型；最后，参考主燃室
湍流模型，构建了射流火焰强度模型，利用射流火焰强度和湍动能导出了耦合参数去
耦合射流火焰卷吸燃烧子模型和湍流卷吸燃烧子模型来模拟主燃室燃烧过程，加入了
NO模型和进排气模型，开发出了预燃室式双燃料低速船用发动机现象学燃烧模型。
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利用商业数学编程软件编写了计算程序，通过不同缸径、不同冲程、不同预燃室
数量且工作原理相同的预燃室式双燃料低速船用发动机不同负荷下实验数据和CFD仿
真数据对模型结果进行了对比验证。结果表明：燃烧阶段缸压结果平均相对误差小于
3.5%，CA10、CA50、CA90结果的平均相对误差小于?1°CA，爆压的平均相对误差小
于2%，平均指示压力的平均相对误差小于6%，证明了模型结果的准确性和可靠性，
可用于研究工作原理相同、结构相似的预燃室式双燃料低速船用发动机燃烧特性。最
后，通过验证模型研究了引燃油喷射正时、压缩比、当量比和初始湍能值对燃烧过程
和性能参数的影响，经理论性分析，证明了模型对参数变化的计算敏感性和适用性。
关键词：现象学燃烧模型，双燃料低速船用发动机，预燃室，柴油引燃
预燃室式双燃料低速船用发动机现象学燃烧模型
ABSTRACT
Inrecentyear,dual-fuellow-speedmarineenginesemployingnaturalgaswithhighcalorific
valueandhighhydrogentocarbonratioasanalternativefuelhavebecomeahotresearcharea
forocean-goingboatsinordertobattleclimatechangeandminimizegreenhousegasemissions.
Amongthem,thepre-combustionchambertypedual-fuellow-speedmarineengineusesthe
premixedcombustionconceptandcanmeettheInternationalMaritimeOrganizationsTierIII
emissionregulationswithouttheuseofafter-treatmenttechnology,whichhasattractedthe
interestofthemarineindustry.However,thepre-chambertypedual-fuellow-speedmarine
enginespremixedcombustionprincipleresu