高负荷船用双燃料发动机预混氢燃烧的数值模拟与参数优化研究

为解决航运业碳中和目标下氢燃料应用的技术瓶颈，研究人员通过CFD建模系统研究了大型船用四冲程双燃料发动机在不同氢能占比(HEF)下的预混燃烧特性，优化了柴油喷射正时和进气门关闭温度(IVC)参数。结果表明60% HEF配合340K IVC温度可实现稳定燃烧，热效率达43.2%，但NOx排放增至12.9g/kWh。该研究首次界定了船用发动机氢燃料稳定燃烧的操作边界，为航运业脱碳提供了关键技术支撑。

　　

航运业占全球温室气体排放的3%，国际海事组织要求2050年实现净零排放。氢燃料因其零碳特性成为最具潜力的解决方案，但船用大缸径发动机的氢燃烧存在两大技术难题：高自燃温度导致点火困难，而快速燃烧特性又易引发爆震。现有研究多集中于小型高速发动机，对兆瓦级船用发动机的预混氢燃烧特性缺乏系统认知。

针对这一空白，研究人员开展了大型船用双燃料发动机预混氢燃烧的数值模拟研究。通过CONVERGE软件建立CFD模型，采用包含674个反应的详细化学反应机理，对额定功率10.5MW的四冲程发动机进行仿真。研究创新性地采用网格敏感性分析（最终选定2mm网格），并通过柴油模式实测数据和轻型发动机氢燃烧文献数据双重验证模型准确性。关键技术包括：KH-RT喷雾破碎模型、Han壁面相互作用模型、扩展Zeldovich氮氧化物预测模型，以及基于RANS k-ε的湍流模拟方法。

双燃料发动机性能
通过20%/40%/60%三种氢能占比(HEF)的系统测试发现：IVC温度低于340K时氢燃烧不完全，高于360K则出现爆震。60% HEF在340K IVC温度下展现出最佳平衡，燃烧效率达94%，峰值压力14.4MPa未超过船用发动机1.1MPa/^o
CA的升压限值。值得注意的是，氢燃烧产生中间态H₂
O会延长点火延迟，而高IVC温度下OH自由基聚集是引发爆震的主因。

双燃料发动机排放特性
NOx排放随HEF增加呈线性增长，60% HEF时达12.9g/kWh（柴油模式为8.53g/kWh）。空间分析显示NOx主要形成于火焰前锋附近>1800K高温区，而CH₂
O（甲醛）则分布于低温反应区。研究发现柴油喷射提前可降低未燃氢比例，但会加剧NOx生成——SOI每提前2^o
CA，NOx增加约1.5g/kWh。

喷射正时优化
针对60% HEF的优化表明：8^o
CA BTDC柴油喷射正时实现最佳平衡，指示热效率41.4%（相对柴油模式1.01倍），CA50（50%燃烧完成点）位于6^o
CA ATDC。进一步提前喷射虽可提高燃烧效率，但会导致NOx超标；延迟喷射则使燃烧相位滞后，热效率下降15%。

该研究首次绘制出船用双燃料发动机氢燃烧的"安全操作窗口"：20%/40%/60% HEF对应的IVC温度范围分别为360-430K、340-390K和320-360K。通过揭示氢-柴油协同燃烧机制，证实60% HEF是现有技术条件下的可行性上限。研究成果为船用发动机氢能改造提供了关键参数基准，特别是提出的"低温IVC+适度提前喷射"策略，在保证热效率的同时控制爆震风险。尽管NOx排放增加仍需后续EGR（废气再循环）等技术优化，但这项工作为航运业2050碳中和目标提供了重要的技术过渡方案。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，其建立的CFD方法论也可拓展应用于其他低碳燃料的发动机优化研究。