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预燃室氢引燃四冲程氨发动机燃烧排放特性模拟研究.pdf

发布:2025-05-27约13.95万字共100页下载文档
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预燃室氢引燃四冲程氨发动机燃烧排放特性模拟研究

摘要

持续推动航运业绿色低碳发展是我国落实“双碳”战略和参与控制全球气

候变暖行动的重要举措。为了有效控制航运业的温室气体排放,在当前的技术

条件下使用零碳的氨燃料是最佳选择。本文以船用大缸径预燃室天然气发动机

为研究对象,通过建立仿真模型,开展模拟计算。基于输入缸内能量守恒的条

件,研究了不同负荷下3种氢掺混比对发动机燃烧和排放特性的影响。并在此

基础上,对过量空气系数以及点火正时进行了优化,以实现发动机的最佳性

能。本文的主要研究内容和结论如下:

(1)构建了船用大缸径四冲程主动式预燃室天然气发动机的一维和三维仿

真模型,并结合相关的实验数据分别对模型的4个负荷工况(100%、75%、

50%以及25%)进行了验证。基于输入缸内能量守恒的方式,进行了不同负荷

下氨氢混合燃料的发动机性能计算,研究了3种不同主燃室掺氢比(0%、10%

和15%)对氨燃料发动机性能的影响。研究结果表明,未燃氨和NO的排放是

2

具有相关性的;缸内热脱硝反应可以有效降低NOX的排放,且NOX排放量与

NO和NH成trade-off的关系;随着掺氢比的增加,发动机NOx比排放量逐渐

23

增加,而逃逸的NH和NO的比排放量逐渐降低;氨氢混合燃料模式的排放物

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全球变暖指数(GWI)在不同负荷时明显低于天然气模式。

(2)在100%负荷基础上,分别从过量空气系数和点火正时两方面对3种

掺氢比氨氢混合燃料的发动机性能进行了优化研究,提出了高氨替代的优化方

案。结果表明,相比于天然气,使用氨燃料可以明显降低排放物的GWI,优化

后具有较高热效率,证明了氨燃料在预燃室式四冲程内燃机中应用的可行性。

(3)对Li-Konnov燃烧反应机理的反应参数进行了优化研究。研究结果表

明,优化后的机理对着火延迟时间实验数据的拟合效果更好。相较于优化前,

优化后的机理对于NOx排放的模拟数值高,而未燃NH和NO排放的模拟数

32

值稍低,但误差都在15%以内,这为将来的机理优化提供了参考。

本文主要研究了大缸径预燃室发动机使用氨燃料的燃烧排放特性并提出了

相应的优化方案。研究结果为中高速船用氨发动机燃烧系统的设计和优化提供

了理论依据。

关键词:船用氨发动机;掺氢比;数值模拟;预燃室;性能优化

预燃室氢引燃四冲程氨发动机燃烧排放特性模拟研究

Abstract

Tocontinuouslypromotethegreenandlow-carbondevelopmentoftheshipping

industryisanimportantmeasureforChinatoimplementthecarbonpeakingand

carbonneutralitystrategyandparticipateintheactiontocontrolglobalwarming.In

ordertoeffectivelycontrolthegreenhousegasemissionsofshippingindustryand

achievethegoalofdecarbonizationoftheinternationalcommunity,theuseofzero-

carbonammoniafuelisundoubtedlythebestchoiceunderthecurr

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