摘 要

废气重整再循环技术（Reformed Exhaust Gas Recirculation，REGR） 能改善发动机的动力性能与排放性能，而进气混合气中重整气添加率和重整气组分直接影响天然气燃烧过程，从而影响发动机的整体性能。本文耦合计算流体力学软件CONVERGE与化学动力学分析软件Cantera针对YC6MK200NL-C20点燃式LNG发动机的燃烧过程进行了模拟研究。

首先通过三维数值模拟，得到不同的重整气添加率以及不同重整气组分下发动机的燃烧特性与排放特性，结果表明，随重整气添加率增加，缸内平均压力的峰值先升高，后略有降低，燃烧相位提前，HC排放量降低，CO排放量增大，NO_x排放量降低；随重整气中N₂浓度增加，缸内平均压力峰值降低，燃烧相位后移，HC排放量增大，CO排放量基本不变，NO_x排放量降低。重整气添加率为12%，重整气组分比例为CO : H₂ : N₂=1 : 4 : 20时能较好地满足发动机的动力性能与排放性能。随后通过化学动力学分析可得到甲烷的主要消耗路径，比较可知，随重整气添加率增加，OH活性基参与反应的比例提高，可使燃烧过程加快，放热量增加。

关键词：LNG发动机；废气重整再循环；计算流体力学；化学动力学分析

Abstract

Reformed Exhaust Gas Recirculation(REGR) technology can improve the power and emission performance of the engine. The addition rate and components of reformed gas in the intake mixture can directly affect the natural gas combustion process, thereby affecting the overall performance of the engine. In this paper, the coupled Computational Fluid Dynamics(CFD) software CONVERGE and chemical kinetics analysis software Cantera were used to simulate the combustion process of an ignited LNG engine.

First, through three-dimensional numerical simulation, combustion and emission characteristics of the engine under different addition rates and components of reformed gas are obtained. The results show that, as the addition rate of reformed gas increases, the peak value of the average pressure in the cylinder increases at first, then decreases slightly, and the combustion phase advances, HC and NO_x emissions decrease, CO emissions increase; as the concentration of N₂ in the reformed gas increases , The peak value of the average pressure in the cylinder decreases, the combustion phase shifts backward, HC emissions increase, CO emissions basically remain unchanged, and NO_x emissions decrease. Generally, when the reformed gas addition rate is 12% and the reformed gas component ratio is CO : H₂ : N₂ = 1 : 4 : 20 can better meet the power and emission performance of the engine. Subsequent chemical kinetic analysis can obtain the main consumption path of methane. As the addition rate of reformed gas increases, the proportion of OH active groups participating in the reaction increases, which can accelerate the combustion process and increase the heat release.

Key Words：LNG engine；Reformed Exhaust Gas Recirculation；Computational Fluid Dynamics；chemical kinetics analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 LNG发动机REGR技术研究现状 1

1.3 本文研究内容与目的 2

第2章 LNG发动机数值计算模型的建立与验证 4

2.1 天然气燃料化学动力学机理 4

2.2 三维数学模型基础 4

2.2.1 基本控制方程组 4

2.2.2 湍流模型 5

2.2.3 燃烧模型 6

2.2.4 排放模型 6

2.2.4 网格尺寸 6

2.3 原型机的基本参数 7

2.4数值计算模型的验证 7

第3章 富氢重整气添加对LNG发动机燃烧与排放的影响 9

3.1重整气添加率对燃烧与排放的影响 9

3.1.1 燃烧特性分析 9

3.1.2 排放特性分析 11

3.2 重整气成分对燃烧与排放的影响 13

3.2.1 燃烧特性分析 14

3.2.2 排放特性分析 16

第4章 发动机缸内燃烧过程化学动力学分析 19

4.1 重整气添加率对缸内甲烷消耗路径的影响 19

4.2 重整气添成分对缸内甲烷消耗路径的影响 21

第5章 全文总结及展望 23

5.1 全文总结 23

5.2 展望 23

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

目前全球船舶大部分仍以石油燃料为动力来源，但由于石油资源的不可再生性，越来越高的石油需求与有限的石油储量之间产生了不可调和的矛盾。此外，石油燃料的燃烧所产生的二氧化碳、氮氧化合物、碳烟颗粒等污染物排放会带来诸多环境问题，成为传统柴油机燃烧的一大弊端。液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）辛烷值高、燃烧产物清洁且储蓄量大，可作为船用发动机的替代清洁燃料。由于LNG燃料含硫量低且碳氢比低，因此使用LNG燃料的发动机可以显著减少硫氧化物、二氧化碳以及碳烟颗粒的排放。

天然气的应用方式主要有两种，火花塞点燃和柴油引燃。目前国内应用最多的是火花塞点燃式天然气发动机。然而由于天然气的燃烧速度慢且燃烧温度高，会导致NO_x的排放大幅度增加。为解决排放问题可采用稀薄燃烧和废气再循环（Exhaust Gas Recirculation， EGR）技术，通过降低LNG发动机缸内平均温度来控制NO_x排放。由于天然气的稀燃能力弱，稀薄燃烧不稳定，会使缸内热效率降低，甚至可能导致失火。为解决这一矛盾，在提高发动机热效率的同时达到降低排放的目的，可在天然气中掺入氢气。由于氢气的燃烧速率快，稀燃能力强，在可燃混合气中添加适量的氢气可显著提高可燃混合气的燃烧速率，拓宽发动机的稀燃极限。除此之外，氢气的易制取、可再生等优点也可在一定程度上提高LNG发动机的经济性。

重整废气再循环（REGR）是一种将废气再循环与燃料重整相结合的技术。在发动机排气管后加装重整器，借助废气余热和催化剂可将一部分废气（包括HC、O₂、CO₂、H₂O等）和燃料重整为富氢混合气体（主要成分包括H₂、CO、N₂等），并与新鲜空气混合后送入气缸。相比EGR技术，REGR能够在每循环内完成氢气的制取与天然气-富氢重整气的混合，同时降低了废气中的未燃碳氢排放。REGR技术能够实现LNG燃料的稳定稀薄燃烧，从而显著降低NO_x排放，其作为一种发动机节能减排新技术展现出巨大潜力，已成为近年研究的热点。