用于低速二冲程船用氢发动机的被动预燃室TJI系统设计

《Fuel》：Passive Pre-Chamber TJI system design for Low-Speed Two-Stroke marine hydrogen engine

氢燃料海洋低速两冲程发动机采用被动湍流射燃（TJI）预腔室设计优化，通过CFD模拟和光学定容燃烧实验验证，确定小通道直径（5mm）、L/d比3.0、预腔室体积0.5%主燃烧室时，氢火焰传播效率最高，功率达原型柴油机的85%，热效率50%，NOx排放达标。

　　

曲文静|方媛|谢泽龙|田江平|冯丽艳

教育部海洋能源利用与节能重点实验室，大连理工大学，中国大连116024

摘要

低速二冲程海洋氢发动机（LTMHE）是实现国际航运业减排目标的一种有前景的解决方案。鉴于被动湍流喷射点火（TJI）在减少排放和燃料消耗方面的潜力，专门为LTMHE设计了一种预燃室结构。为了验证CFD模型在预测氢喷射火焰点火和传播方面的能力，进行了光学恒容燃烧室（CVCC）实验。随后使用经过验证的模型进行了CFD模拟。通过数值模拟分析了预燃室几何形状对喷射火焰特性和整体发动机性能的影响。结果表明，较小的通道直径显著增强了点火前的预燃室内的湍流，从而提高了燃烧性能。然而，过小的直径（2.5毫米）可能导致火焰在通过狭窄通道时熄灭。此外，增加预燃室通道长度可以加速喷射火焰在主燃烧室内的径向和周向传播。较小的预燃室体积相比较大体积会产生更强烈的燃烧，但这可能导致预燃室内的燃料质量不足，可能阻碍喷射火焰的持续快速传播（仅占间隙体积的0.25%）。适度的强烈喷射火焰比过强的火焰更有利于获得最佳发动机性能。综合考虑整体性能后，最终确定了LTMHE的被动TJI预燃室的最佳配置。最佳结构参数的特征是L/d比约为0.5–1.0，相应的$C_t$和$\beta$值分别在0.27–0.42和0.83–1.87范围内。在这些条件下，LTMHE的功率输出接近原型柴油机的85%，而指示的热效率接近50%。同时，NOx排放显著降低，远低于IMO Tier III的监管限制。

引言

作为一种具有优越燃烧特性的零碳可再生燃料[1]，[2]，[3]，氢能在通过低速二冲程海洋氢发动机（LTMHE）的应用中为海洋运输的脱碳提供了巨大潜力。

然而，由于氢的点火能量低且燃烧速度快，容易发生预燃和爆震等异常燃烧现象[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]。为了降低这种风险，LTMHE通常采用稀薄燃烧策略，燃料/空气当量比（?）为0.4[13]，[14]，这有助于防止异常燃烧[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]。此外，稀薄燃烧可以有效减少NOx排放并提高发动机效率[22]，[23]，[24]，[25]，[26]。另一方面，由于氢的自燃温度高和点火能量低，总是需要额外的点火源来点燃稀薄的氢/空气混合物。由于NOx排放法规只能在非常高的空气/燃料当量比（λ > 2.0）下才能满足[27]，因此点火系统必须在超稀薄条件下确保稳定的点火和快速的火焰传播。而传统的火花点火（SI）系统无法实现这一点。这些挑战在LTMHE中尤为突出，因为LTMHE具有较大的缸径、较长的冲程和较低的发动机转速[28]。为了解决这些限制，LTMHE采用了湍流喷射点火（TJI）系统来增强点火能量并提高超稀薄燃料/空气混合物的燃烧速度。

TJI是一种稀薄燃烧增强方法，大约在50年前首次被概念提出[29]，[30]，此后不断发展以解决稀薄混合物的燃烧稳定性和可燃性问题[31]。在该系统中，传统的火花塞在预燃室内点燃一小部分空气-燃料混合物。由此产生的燃烧导致压力迅速上升，湍流火焰通过预燃室通道喷射到主燃烧室，产生多个点火点，促进稳定的点火和更快的火焰传播[25]，[26]，[32]，[33]，[34]，[35]。在适当的运行条件下，TJI显著减少了循环间的变化[36]并提高了燃烧速度[37]。与传统SI系统相比，TJI还减少了由尾气自燃引起的爆震[38]，[39]，[40]，[41]，并提高了发动机热效率[28]，[42]。此外，利用TJI策略，缸内燃烧过程对火花塞结构和点火能量不敏感，因此可以在发动机广泛的点火能量范围内实现稳定的燃烧过程[42]。

TJI可以分为两种类型：主动TJI和被动TJI[25]，[26]。在被动TJI系统中，预燃室中缺乏辅助燃料喷射系统，无法直接控制预燃室内混合物的λ[43]。相比之下，主动TJI系统具有独立的燃料供应，可以精确控制预燃室的局部λ，而不受主燃烧室混合物组成的影响[44]。然而，这种优势带来了预燃室设计和集成复杂性的增加[45]，[46]，[47]。另一方面，被动TJI具有简单性、易于集成和低成本等优点，使其成为同时减少燃料消耗和污染物排放的有前景的解决方案[48]，[49]，[50]。展望未来，基于被动预燃室的TJI系统在未来的低碳和零碳燃料发动机中展现出强大的应用潜力[51]。

大多数现有的TJI研究集中在使用汽油或天然气的四冲程发动机上，研究了预燃室体积和通道尺寸等结构参数。研究结果表明，较小的预燃室体积和通道尺寸为未来的设计提供了有希望的方向[29]，[52]。例如，Frasci等人[48]发现增加这两个参数可以提高汽油发动机的火焰穿透力和效率。Roethlisberger等人[53]，[54]和Onofrio等人[31]进一步证实了通道设计对天然气发动机燃烧发展和排放的关键影响。Li等人[55]使用CFD表明，指示热效率（ITE）最初会随着预燃室体积和通道直径的增加而增加，然后降低。Novella等人[32]，[56]提出结合通道设计优化预燃室体积。研究还研究了废气扫气，表明直孔设计、减小体积和较大通道可以改善性能[51]，[57]，[58]。此外，最近的数值研究表明，氢预燃室喷射点火是克服氨发动机点火缓慢和火焰传播不良的有效方法[59]，[60]，[61]。关于海洋低速发动机中预燃室的研究有限。Liu等人[62]和Guo等人[63]探讨了设计变量对二冲程双燃料天然气发动机燃烧和排放的影响。氢燃料预燃室TJI的研究主要局限于小缸径的四冲程发动机。

氢的化学性质与天然气根本不同。氢燃烧更快，火焰熄灭距离更短，这使得直接将天然气的预燃室设计应用于LTMHE是不合适的。因此，有必要针对LTMHE进行专门的TJI研究。本研究探讨了预燃室结构参数对LTMHE中喷射火焰特性的影响。由于缺乏LTMHE的实验数据，进行了光学恒容燃烧室（CVCC）实验来验证CFD模型在预测氢喷射火焰点火和传播方面的能力。基于这一验证，进行了CFD模拟，研究了预燃室体积（占间隙体积的0.25%至1.5%）和通道几何形状（预燃室通道的 length-diameter 比，L/d范围为0.5至6.0）对LTMHE中喷射火焰传播和发动机性能的影响。为了确定适合LTMHE应用的合适结构配置，引入了两个额外的无量纲参数，$C_t$和$\beta$。

研究部分

研究对象

LTMHE是基于低速二冲程海洋柴油发动机开发的。原型柴油发动机在满负荷（100%）下的基本规格和性能参数列在表1中。

氢被动TJI预燃室光学实验

表2总结了模拟中使用的子模型。这些子模型已经通过恒容燃烧室（CVCC）实验的实验结果进行了验证（见图1a）。CVCC的示意图如图1b所示。在顶部安装了一个火花塞

被动TJI预燃室单个参数对LTMHE的影响

在燃烧系统设计过程中，LTMHE的缸内压力峰值被限制在原型柴油发动机最大压力的大约90%以内，以确保安全运行。此外，采用了稀薄燃烧策略以防止异常燃烧现象。氢喷射系统设计已在之前的研究中完成[64]。两个氢喷射器安装在缸壁的中高度附近，每个喷射器分别向侧面和下方倾斜10°。

LTMHE的被动TJI预燃室设计

根据第3节中的结论，该节研究了各个尺寸参数对氢喷射火焰和发动机性能的影响，开发了一种综合考虑三个关键结构参数（预燃室体积、通道直径和长度）的协调设计，以实现LTMHE预燃室的整体优化。增加了15种新的配置方案。加上第3节中的基线方案L1、L2、L3和V2方案，总共共有20种配置

结论

为了优化LTMHE的被动TJI预燃室设计，进行了3D CFD模拟，以研究预燃室结构配置对喷射火焰发展和主燃烧室燃烧的影响。主要结论如下：

• 1.
  对于LTMHE，使用小体积的预燃室（约占主燃烧室体积的0.5%）、小通道直径（5毫米）和长通道长度（L/d比约为3.0）可以增强喷射火焰强度。适当减小预燃室

CRediT作者贡献声明

曲文静：撰写——原始草稿、方法论、数据整理。方媛：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、数据整理。谢泽龙：验证、数据整理。田江平：监督、方法论。冯丽艳：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金[项目编号：52471315]，[项目编号：52071061]；以及奥托循环氨发动机燃烧关键技术研究的支持。