船用天然气发动机非平衡等离子体低温点火研究

In order to improve fuel economy, maintain combustion stability to extend lean burn limit and shorten the distance of flame propagation of LNG marine engine, it is necessary to study the principle and technologies to improve engine combustion characteristics, explore multipoint ignition method and finally improve engine performance. This research employs an independent developed dielectric barrier discharge (DBD) non-equilibrium plasma generating system to carry out the research on low temperature non-equilibrium plasma ignition of natural gas. The objective is to clarify the ignition and combustion characteristics of non-equilibrium plasma ignition, reveal the promoting effect of non-equilibrium plasma ignition on combustion characteristics and establish the chemical reaction mechanism to describe low temperature non-equilibrium plasma ignition phenomenon. Numerical simulation study of low temperature non-equilibrium plasma ignition and combustion process is also to be carried out by coupling with CFD software, and new combustion model of LNG low temperature non-equilibrium plasma ignition is needed to be created. This research will obtain original results of lean burn LNG marine engine.

为提高船用天然气发动机的经济性、改善稀薄燃烧的燃烧稳定性、扩展稀燃极限、缩短火焰传播距离，需要研究改善发动机着火及燃烧特性的原理和技术手段，探索新型多点点火方式，从而提高船用天然气发动机的性能。本研究结合自主开发的介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统，进行船用天然气发动机稀薄燃烧非平衡等离子体低温点火研究，探明非平衡等离子体低温点火的着火及燃烧特性，揭示其点火方式对燃烧稳定性及燃烧效率的促进作用，建立天然气非平衡等离子体低温点火燃烧的化学反应机理，并与CFD软件耦合进行天然气非平衡等离子体低温点火燃烧的数值模拟研究，构建天然气非平衡等离子体低温点火的着火及燃烧模型。本项目的完成，将会获得船用天然气发动机稀薄燃烧技术的原创性成果。

非平衡等离子体助燃是以纳秒脉冲放电、激光、微波等技术为激励源，采用不同结构的助燃激励器将气体电离，利用电离产生的高能电子、活性粒子或活性基团等具有较高化学活性的组分，提高反应物分子的化学活性，并对流场产生扰动，改变燃烧状态从而改善燃烧过程的技术。非平衡等离子体助燃是近年来逐渐受到学术界关注的一种新型燃烧理论及技术，由于具有着火范围大、点火延迟短、燃烧稳定性好、稀燃极限宽等诸多优点，具有在大缸径船舶天然气发动机领域广泛应用的潜力。.本研究采用介质阻挡放电及电弧放电原理，进行了等离子体点火器结构设计，并对点火器的工作过程进行了数值模拟研究；基于介质阻挡放电原理，进行了等离子体助燃激励器结构设计，分别提出了同轴电极助燃激励器方案和可变结构平板电极阵列助燃激励器结构；针对内燃机实际工作参数及条件，结合内燃机缸内的实际结构，提出了基于活塞组件和缸套组件的等离子体强化燃烧方案。采用自主开发的介质阻挡放电非平衡等离子体发生器，研究了非平衡等离子体放电过程的电学特性，掌握放电过程中自由电子密度与放电参数的关系，明确了当量比、放电电压对活性粒子组分的影响关系，明确了活性粒子浓度随时间的变化关系；分析了放电参数与等离子体组分、温度之间的对应关系，归纳总结介质阻挡放电非平衡等离子体电离特性的控制策略。采用高速摄影法及光谱法，研究了天然气非平衡等离子体点火的燃烧特性，获得天然气非平衡等离子体低温点火的燃烧特性参数，分析了其影响因素，并分析了非平衡等离子体点火与火花点火对着火及燃烧特性影响机制的差异。最后进行了电离反应机理研究，建立了甲烷-空气混合气的电离反应机理。本研究所取得的成果，为非平衡等离子体助燃技术在船舶天然气发动机上的应用提供了理论依据及技术手段支持。