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文献综述报告 学 院： 能源与动力工程学院 专 业： ** 姓 名： ** 学 号： ** 缸内高压直喷LNG双燃料发动机燃烧过程的数值模拟 摘要：本文简要论述了柴油微引燃缸内高压直喷LNG发动机的工作原理、发展历史以及CFD在双燃料发动机燃烧过程数值模拟研究中的发展情况，指出了开发高效低污染LNG双燃料发动机的关键。 关键字：缸内直喷；LNG双燃料发动机；数值模拟 一、前言 由于全世界的能源枯竭问题和环境污染问题的日趋严重，为了应对即将于2021年01月01日生效的IMO Tier III排放标准，在考虑燃油经济性的同时降低船用柴油机的排放标准，研究并应用柴油机合适的替代燃料成为了柴油机行业发展的方向和节能措施的突破口[1]。 天然气被认为是继煤炭、石油之后的世界第三大能源,它是一种产生于气田或油田的天然气体,是目前自然界中大量存在的碳分子数最低的燃料,其主要成分为甲烷。与石油相比,天然气资源比较丰富,全球已探明的天然气储量可以供人类开采和利用200年以上[2]。就其丰富的全球储量和良好的燃烧性能而言,开发天然气发动机具有深远意义。与压缩天然气（CNG）相比，液态天然气（LNG）在气化过程中吸收了大量的热，降低了缸内温度，使最高燃烧温度也下降，从而降低了NOX的生成量。现在的CNG发动机为补偿功率多采用提高压缩比、进气增压等方式，相对又提高了爆震的可能性，LNG液喷对缸内的降温作用明显，可减小爆震的可能性。经过60多年的发展,LNG己经形成了开采，存储，运输到终端完整的工艺流程技术。在安全性方面,LNG具有无色、无味、无毒、无腐烛性等特点,密度也比空气轻,发生泄漏事故时会快速自然气化,不会对水体产生污染[3]。LNG的热值与相同质量的常用燃料柴油基本相当，使用LNG作为动力燃料船舶运营费用可减少约25%。 柴油引燃缸内高压直喷天然气发动机，它的工作原理是压缩行程接近终了时，先往气缸中喷微量的柴油，使其自燃形成点火源从而提高气缸内的温度和压力，然后再用高压往气缸中直接喷入天然气。用柴油燃烧的能量点燃直接喷入的天然气，使天然气的燃烧实现扩散燃烧，同时由于天然气的喷射时刻靠近上止点，属于晚喷，允许采用大一点的压缩比从而摆脱了爆震的束缚。这种形式的发动机可以保持原有柴油机的高效率和低速扭矩，得到较大的平均有效压力，同时降低 NOX和微粒排放，NOX不仅对人的身体有害而且是导致光化学烟雾和酸雨的根源[4-5]。由于柴油的量非常少，所以被定义为柴油微引燃缸内高压直喷天然气发动机。在美国的天然气科研项目中,西南研究所还对高压直喷技术作为6大燃料技术之一进行评估，高压直喷技术被认为是使发动机保持高效低排放的首选方案[6]。 柴油微引燃LNG缸内高压直喷发动机的优势主要表现为[7-11]： 采用直喷技术，发动机不需要节气门机构,因而不存在节流损失及容积效率损失，同时消除了因排气重叠角引起的天然气逸出，HC排放问题得到改善。 天然气的辛烷值高达130，同时因为采用了缸内直喷，不受爆震限制，不必像常规点燃天然气发动机时需要降低压缩比，从而提高天然气发动机的热效率。 天然气燃烧温度相对较低,并且缸内直喷技术使缸内混合气空燃比远大于理论空燃比,缸内最高燃烧温度进一步得到了降低,可大幅度降低NOX排放。 天然气在接近上止点时喷入气缸,其燃烧过程属于扩散燃烧,可以通过质调节的方式迅速适应发动机负荷的变化,尤其是在中低负荷时,传统天然气发动机中由于混合气过稀造成的燃烧不良的状况将得到改善。 LNG成为船舶燃料已经是大势所趋[12]。在保持原有柴油机功率不变的情况下，使用柴油微引燃缸内高压直喷LNG技术，通过合适的喷射参数设置 [13-15]，来提高发动机的燃烧性能，降低NOX的排放将是未来柴油LNG双燃料发动机的研究热点。国际上，只有少数的公司掌握了该项技术。而我国对其核心技术的掌握研究还在起步阶段。 计算流体力学（CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想：把原来在时间域和空间域连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题流场内各位置上的基本物理量（如速度，温度，压力，浓度等）的分布，以及这些物理量随时间变化的情况[16]。 在初始设