可变压缩比技术提升船用甲醇双燃料发动机性能与减排效果研究

为解决船用发动机使用甲醇燃料时面临的失火和爆震问题，研究人员开展了可变压缩比(VCR)技术在甲醇双燃料发动机中的优化研究。通过CFD建模和实验验证，发现VCR设置可显著提升热效率(低中负载提高7%/2%)并降低排放，实现IMO Tier III合规性及21%的可持续性指数提升，为航运业低碳转型提供关键技术支撑。

　　

航运业正面临严峻的碳减排压力，国际海事组织(IMO)要求2050年实现净零碳排放。甲醇作为低碳燃料备受关注，但其在船用发动机应用中存在两大技术瓶颈：低负载时因高汽化焓导致失火，高负载时因层流火焰速度快引发爆震。传统固定压缩比(FCR)发动机需通过废气再循环(EGR)平衡效率与排放，但会牺牲热效率。

为突破这一技术困局，研究人员在《Fuel Processing Technology》发表论文，首次系统研究了可变压缩比(VCR)技术在90%甲醇能量分数(MEF)船用四冲程双燃料发动机中的应用。通过CONVERGE软件建立CFD模型，采用KH-RT液滴破碎模型和NTC碰撞模型，结合672个反应的半详细机理，对20%/55%/90%三种负载下压缩比(CR)11-19的范围进行参数优化。研究创新性地引入可持续性指数(SI)评估体系，发现VCR技术可使发动机在无EGR条件下实现：低负载CR19时热效率提升7%，中负载CR16时提升2%，高负载CR12时NOx降低69%，整体可持续性指标提高21%。

主要技术方法包括：1)基于拉丁超立方采样的参数优化设计；2)采用RANS k-ε湍流模型和扩展Zeldovich氮氧化物模型；3)通过活塞高度液压调节实现VCR机械结构；4)双共轨系统实现甲醇(80°CA BTDC)与柴油(12°CA BTDC)的分时喷射。

研究结果部分：

1. 燃烧效率与排放特性：CR19/16/12分别使低/中/高负载实现完全燃烧，中负载NOx从1.6g/kWh升至5g/kWh，但高负载降低69%。
2. 热力学性能：VCR使压力升高率控制在2.48MPa/°CA内，CA50相位优化至3.2-10.6°CA。
3. 空间分布特征：CR19时缸内温度梯度减小，CO浓度降低85%；CR12使高温区(<1800K)停留时间缩短。
4. 排放合规性：VCR使加权NOx降至2.5g/kWh，较Tier III限值低7%。
5. 可持续性评估：全球变暖潜势(GWP)降低9.59%，酸化潜势(AP)降低29.36%。

结论表明，VCR技术通过动态调节压缩比：

1. 破解了甲醇燃料"低负载失火-高负载爆震"的矛盾；
2. 在90%MEF条件下实现热效率与排放的协同优化；
3. 机械调节活塞高度的方案具备工程可行性；
4. 为航运业提供符合IMO 2050目标的即用型解决方案。该研究为大型发动机VCR技术应用建立了方法论框架，其揭示的"压缩比-负载特性"映射关系对多燃料发动机开发具有普适指导意义。