近年来，随着我国能源结构调整和节能减排战略的进行，我国内河船舶越来越多地开始使用天然气发动机作为船舶主机，国家也在积极引导和推进天然气在船舶上的发展使用。早在2013年10月，交通运输部下发了《交通运输部关于推进水运行业应用液化天然气的指导意见》，其中明确提出在水运行业大力推广液化天然气的使用，发展清洁能源技术，实现节能减排、转型升级与优化用能结构^[1]。

液化天然气的成分主要为甲烷，其基本不含有硫化物以及微小颗粒物，并且辛烷值较高，将其作为船舶燃料有着使用方便、排放清洁、储量丰富、成本低廉等特点。在实际中将天然气用于船舶时，我国内河船舶多采用通过进气总管吸入天然气的方式把柴油机改装为双燃料发动机，运行时发动机的颗粒物排放大大降低，NO_x排放部分降低，但CO排放上升，HC排放大幅度上升。而HC排放的增加不仅违背了节能减排的初衷，也制约了船舶双燃料发动机的发展。研究发现，发动机HC排放主要有三个来源：一是气门重叠期天然气直接逃逸，二是气缸壁面淬熄或裂隙中未燃的天然气，三是燃烧过程中未完全氧化的HC排放^[2-3]。而其中最主要的是气门重叠期天然气的逃逸，其逃逸量占据总HC排放的七成以上^[3]。

国内目前主要的柴油机生产厂家例如潍柴、玉柴、淄柴等基本上都是在原柴油机基础上改进。潍柴LNG纯气机、玉柴蓝鲸NK系列气体机均采用增压后总管进气，淄柴 Z6170ZLCZ/T 气体机采用增压前总管进气。增压器前总管进气背压较低，形成的混合气较为均匀，但是对发动机的空燃比调节、动态响应慢。增压器后总管进气调节灵敏度相对变高，但进气压力较高。国内天然气燃料发动机在使用时有一些问题，如普遍使用总管进气，尾气排放性差，HC排放异常严重，造成经济性下降。国外例如德国MAN公司的ME-GI机型采用缸内高压直喷技术，根据船舶运行状态与区域在纯燃油和燃气两种模式之间切换；还有 L23/30DF 和 L28/32DF机型采用的是歧管进气技术，根据发动机工作负荷的不同来调整天然气比例。除此之外，瓦锡兰公司也采用了两种技术方式，缸内低压直喷与歧管进气，缸内低压直喷用于二冲程机，在压缩冲程中途喷入燃气；歧管进气与MAN类似。国外天然气燃料发动机能对不同负荷下的发动机进气实现动态调节，排放性能好，但对天然气喷射管路以及喷气正时要求较高^[4-5]。

与燃用天然气的发动机排放特性相关的问题，国内外都做了大量研究。吉林工业大学张纪鹏等人与雅典国家技术大学R.G.Papagiannakis、D.T.Hountalas分别研究了天然气替代柴油率对双燃料发动机性能与排放的影响，结果表明双燃料模式油耗较纯柴油高，研究表明在一定的天然气替代率下，发动机NOx与烟尘排放会下降但THC与CO排放会上升^[6-7]。天津大学刘雄等人和西安交大钟辉等人发现采用节气节流、废气再循环、提高进气温度以及降低空燃比可以降低THC排放^[8-9]。加拿大温莎大学hilip Zoldak等人采用仿真模拟的方式研究天然气/柴油双燃料发动机的燃烧过程，证明微油引燃的双燃料模式能够改善HC的排放^[10]。伊朗科技大学Amir-Hasan Kakaee等人发现混合气的华白数（代表燃气特性的一个参数）和发动机转速显著影响双燃料发动机的燃烧和排放^[11]。除此之外，还有研究对气道内的气体流动过程进行了模拟，罗马吉等人对柴油机螺旋进气道进行CFD三维数值模拟，Dan HAN等人对发动机进气口流场进行模拟与优化，这些均为发动机气道内的气体流动问题研究提供了一种捷径^[12-13]。

但涉及到最主要的针对天然气在气门重叠期逃逸这一现象的分析，国内外很多文献都仅进行了一些定性描述，并未深究原因，少有定量分析，原因在于实际测量气门重叠期天然气泄漏量存在较大的技术难度。武汉理工大学有一些关于这方面的模拟仿真研究，如张新塘与陈克朋等人对LNG-柴油双燃料发动机气门重叠期天然气逃逸的研究，均给出了具体的模拟过程，计算出气门重叠期天然气逃逸量的大小以及分析其影响因素，研究表明以总管进气喷入天然气的双燃料发动机在气门重叠期存在严重的天然气逃逸现象，气门重叠角、发动机转速、进气管压力、增压比和气门流通界面均能影响逃逸量的大小，其中气门重叠角的影响最大^[3,14]。

计算发动机HC排放中逃逸的天然气量，利用数学软件仿真模拟双燃料发动机气门重叠期天然气的逃逸过程，研究该逃逸现象的机理，分析影响其逃逸的主要因素，为减少双燃料发动机的HC排放提出解决措施。相关研究可为我国双燃料发动机的改善与发展提供一定的参考思路，更能进一步地促进我国船舶双燃料发动机领域有序前进。

2. 研究的基本内容与方案

本课题研究目标旨在明确双燃料发动机气门重叠期天然气逃逸量的影响因素及影响机理，为减少天然气的逃逸提出改进措施，优化天然气进气系统，减少排放，响应国家节能减排的号召，促进双燃料发动机技术取得更长远的发展。

本课题研究内容包括熟悉天然气的理化特性及在柴油机上的应用现状，了解国内外不同技术特征的柴油/LNG双燃料发动机的工作原理及性能特点，尤其是HC排放量的影响因素。同时，熟悉流体动力学及仿真软件（Fluent）的基本知识与使用方法。采用仿真软件，对以总管进气为主要特征的Z6170ZLC柴油机/LNG双燃料发动机气门重叠期天然气逃逸过程进行仿真，并分析气门重叠期大小、发动机转速、进气管压力等对天然气逃逸量的影响进行分析。

本课题拟采用的研究方法主要为仿真实验法，针对天然气逃逸这一过程仿真，具体的技术路线如图2.1所示：