船用天然气发动机燃气喷射与进气协同控制的甲烷超低排放基础研究

Natural gas engine has become a new direction in the development of marine power field with the advantages of high efficiency and cleanliness. But the incomplete combustion of natural gas also leads to a large amount of methane slip, which is the key problem of the emission and efficiency characteristics of natural gas engine. A new combustion system of the layered oxygen concentration in cylinder before ignition is proposed by the applicant, by precisely controlling the gas injection and air flow. Study the effect of pressure reduction expansion in nozzle and chocking phenomenon on mass flow rate and injection duration by establishing the model of compressible fluid in pipe with free boundary condition. And establish the macroscopic structure parameter database of gas jet based on the visual platform. Establish the three-dimensional simulation model of air intake and in-cylinder flow to analyze the influence of the injection control parameters, structure, spatial arrangement and gas distribution rule on the formation of gas mixture, acquire the optimal cooperative control strategy of gas injection and gas intake process based on time and space, which is used to realize the mixed gas control mode, in which the oxygen concentration of center and the outer region in cylinder is layered. Explore the mechanism of methane premixed combustion by gas injection visualization and engine experiments, based on which to find a optimized path to realize ultra-low methane emission, optimize the fuel system structure and establish the database of key parameters of the new combustion system, providing the theoretical basis of ultra-low methane emission control.

天然气发动机凭借高效、清洁的特点成为了船舶动力领域发展的新方向。但燃气的不完全燃烧也导致了大量的甲烷气体排出，成为影响天然气发动机排放性、经济性的核心问题。申请人提出以燃气喷射精确控制及进气流动协同，实现着火前发动机缸内氧浓度分层的新型燃烧系统。建立可压缩流体的管内与自由边界模型，研究喷管内减压膨胀及雍塞对质量流率与持续期的影响，基于可视化平台，建立燃气射流宏观结构参数数据库。构建进气及缸内流动的三维仿真模型，分析喷射控制参数、结构及空间布置与配气规律对混合气形成的相关性影响，得到基于时间及空间的燃气喷射与进气过程的最佳协同控制策略，以此实现缸内中心与外侧区域氧浓度分层的混合气控制模式。基于可视化与整机试验，探索甲烷预混合燃烧机理，在此基础上，建立天然气发动机超低甲烷排放优化路径，优化燃烧系统结构，形成新型燃烧系统关键参数数据库，为甲烷超低排放控制提供理论基础。

如何控制甲烷排放、提高热效率是船舶天然气发动机技术领域亟待解决的问题，天然气在发动机中的燃气喷射、进气混合、缸内运动与分布特性以及分层预混合燃烧机理是解决问题的关键，也是本项目的研究重点。课题通过搭建燃气喷射可视化试验平台，采用纹影以及PLIF等光学可视化测试方法，开展了燃气喷射宏观特性的研究，掌握了不同喷射压力、背压和喷射脉宽下燃气亚声速/超声速喷射的贯穿距离、喷射锥角等宏观特性以及燃气喷射过程中主体结构的浓度特性。搭建了燃气喷射瞬态质量流量测试平台，开展了燃气喷射过程中的瞬态质量流量测量研究，掌握了不同工况下的燃气喷射瞬态质量流量特性，为燃气喷射控制及仿真分析提供重要的数据基础。通过搭建三维仿真模型，揭示了发动机燃气喷射以及缸内混合气形成过程机理，掌握了不同喷射控制策略下发动机缸内的混合气分布特性。以时间及空间的燃气喷射与进气过程协同控制策略为基础，基于氧浓度梯度控制思想提出了一种基于氧浓度梯度控制的甲烷预混合高效燃烧系统。通过优化燃气喷射参数、配气参数以及燃烧室结构，获得燃气浓度的“内浓外稀”控制，有效提高了缸内的甲烷燃烧效率。最后基于DOE实验设计和多参数优化方法开展天然气发动机超低甲烷排放控制路径研究，通过燃气喷射系统参数（喷气正时、喷气持续期）、进气系统参数（配气机构正时、增压比）、发动机工作参数（点火正时、转速、负荷）的协同控制，基于Pareto概念的多目标优化算法进行发动机MAP优化，最终将原型机的热效率从35%提升至40%，甲烷排放满足船用2阶段排放法规限值。