以分区控制及湍流激扰方式实现气体燃料大型船用主机高效稀燃的基础研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51079026
项目类别：
面上项目
资助金额：
36.0万
负责人：
冯立岩
依托单位：
大连理工大学
学科分类：
E1102.船舶工程
结题年份：
2013
批准年份：
2010
项目状态：
已结题
起止时间：
2011-01-01 至2013-12-31

项目参与者：
杜宝国；冷先银；邓瀚文；李魁春；王学龙；张保强；
关键词：
稀燃船用主机气体燃料

项目摘要

根据"分区控制，能量增益，湍流激扰"实现气体燃料大型船用主机高效稀燃的基本理论，针对船用主机大尺寸、低转速、高效率、高可靠性的特点，设计了新型燃烧系统，以一套燃料供给系统实现主燃区的稀燃和激扰源区的高湍流度稍浓燃烧，并在进气冲程完成高温区域扫气降温的任务，从而进一步提高气体燃料船用主机的功率、改善燃料经济性并提高可靠性。这种新型燃烧系统通过高压气体燃料缸内喷射结合激扰源区高脉动湍流以及缸内主燃区的滚流运动实现高质量的"混合气浓度分布和湍流激扰"的分区控制。通过激光诊断和高速摄影等现代燃烧实验技术和化学分析方法以及先进的3维CFD数值模拟和化学动力学分析等研究手段进行新型气体燃料大型船用主机相关基础研究，探索大型船用主机高效清洁燃烧的控制规律、变工况负荷控制规律并完善设计理论，为研究和开发高水平气体燃料大型船用主机奠定理论和技术基础，促进具有独立知识产权的绿色节能船用主机技术的发展。

结项摘要

为了适应船用主机大尺寸、低转速、高效率、高可靠性的特点，项目以某型号四冲程中速船用主机为母型机，设计了新型燃烧系统，通过湍流激扰区高压燃料喷射完成区域内高质量稍浓混合气控制，提高其湍流激扰能量，改善点火特性，结合缸内主燃区的滚流运动实现高质量的“湍流激扰和混合气浓度分布分区控制”，保证主燃区内的高效稀燃，从而进一步提高气体燃料船用主机的功率、改善燃料经济性并提高可靠性。通过发动机一维工作循环数值模拟、3维CFD数值模拟和激光诊断等研究手段进行新型气体燃料大型船用主机相关基础研究。通过对气体燃料船用主机进排气道及缸内流场变化、燃空混合过程、点火过程、火焰扩展和传播情况、主机负荷特性、预燃室组件瞬态温度场分析等研究，揭示了气体燃料船用主机燃烧系统的高质量混合气形成控制规律、稀薄燃烧规律、变负荷工况的主机响应特性、关键部件热负荷特性等科学规律，通过研究，探索并掌握了大型船用主机高效清洁燃烧的控制规律、变工况负荷控制规律，并完善了气体燃料船用主机设计理论，为高水平气体燃料大型船用主机研究与开发奠定了理论和技术基础。项目还拓展了双燃料船用主机燃烧性能及燃烧模型开发、主机关键部件可靠性两个重要研究方向。研究显示，所设计的气体燃料主机的动力性和热效率与其母型柴油主机相当，主机与涡轮增压器匹配良好，在整个运行工况区域中涡轮增压器都在高效率工作点工作；所设计的主机燃烧与MACH-SI、J6系列、J9系列等国际先进大型气体燃料发动机体现了相同燃烧特性。同时，研究发现，预燃室内加浓喷射时间对预燃室内稍浓混合气形成质量有决定性影响。采用高压晚喷加浓策略所得到的稍浓混合气质量比低压早喷策略优越。而目前MAN等国际船用主机厂商大多采用预燃室内低压早喷的加浓喷射策略。可见，通过实施高压晚喷加浓策略改善预燃室内混合气质量将使得气体燃料船用主机的燃烧性能获得更大上升空间。另外，对预燃室组件的瞬态温度场分析显示：预燃室喷嘴端部温度很高，且波动值大，尤其喷孔边缘处温度最高值和波动值都很大，此处容易出现较大热应力，产生热疲劳损伤，造成预燃室组件的损坏，需要在结构设计中重点考虑该处的热负荷问题，以提高主机的可靠性。