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由于船舶发动机排放法规日趋严格，国际燃油价格波动较大且低硫油等高品质燃油价格高昂，寻求新型船用能源的需求迫切。天然气作为一种经济、绿色、环保、安全的新型能源，在船舶动力领域应用前景广阔。采用柴油引燃的天然气高压直喷(HPDI)技术是目前先进的天然气燃烧技术之一。针对严苛的IMOTierⅢ阶段法规，如何在提高燃料经济性的同时降低NOx排放是该技术面临的主要难题。因此，有必要针对高压直喷天然气船用低速机开展高效清洁燃烧研究。
本文基于CONVERGE程序搭建了高压直喷天然气船机的三维仿真模型，首先研究了扫气边界、扫气口参数、燃烧室形状的关键结构参数对HPDI天然气船机燃烧过程和污染物排放的影响规律。研究表明，提高扫气压力有利于提高发动机经济性和动力性，扫气压力提高上限主要受机体强度的限制；扫气温度每提高10K，燃烧峰值压力降低约0.13MPa，NOx排放上升；增大扫气口导流角度可显著增强涡流比，改善缸壁附近的充量更换，但在气缸中心出现明显的回流区域，过大的涡流比不利于扫气效果的提高；适当增加涡流比有利于扩大天然气着火范围，过大的涡流比使天然气喷束形成窄条形并缩短贯穿距，不利于天然气的混合燃烧，扫气口导流角度为20°时效果最好；相较于深坑形燃烧室，浅盆形和浅?形燃烧室在活塞顶面处的湍流强度更大，分布范围更广，更有利于燃料与空气的混合；燃烧室形状对HPDI天然气船机的影响不如扫气口参数影响明显。
基于上述研究规律认识，以降低NOx排放满足TierⅢ法规为目标，综合研究了EGR、米勒循环和天然气喷射策略的排放控制策略。研究表明，单独使用30%EGR率可满足TierⅢ法规，但指示油耗和碳烟排放显著升高；使用米勒循环降低NOx排放的潜力低于EGR；过大的排气阀晚关角度在降低等量NOx排放情况下油耗升高较多，且压气机工作负荷较大；采用25%EGR率耦合排气阀关闭时刻推迟5℃A并提前2℃A天然气喷射正时，可在指示油耗仅增加1.58%的前提下降低77%NOx排放，满足TierⅢ法规；采用天然气主预喷间隔为2℃A，预喷量为20%的两次喷射策略，耦合25%EGR率，可在不牺牲油耗的前提下将NOx排放降低至TierⅢ法规限值下，但碳烟排放会升高至10.3mg/kWh，且缸内燃烧峰值压力较高，对缸体强度提出了更高的要求。
综上，本文系统研究了关键结构参数对HPDI天然气船机燃烧和排放的影响规律，在此基础上提出了满足IMOTierIII法规的控制策略，对高压直喷天然气船用低速机开发具有重要的指导意义和工程应用价值。
本文基于CONVERGE程序搭建了高压直喷天然气船机的三维仿真模型，首先研究了扫气边界、扫气口参数、燃烧室形状的关键结构参数对HPDI天然气船机燃烧过程和污染物排放的影响规律。研究表明，提高扫气压力有利于提高发动机经济性和动力性，扫气压力提高上限主要受机体强度的限制；扫气温度每提高10K，燃烧峰值压力降低约0.13MPa，NOx排放上升；增大扫气口导流角度可显著增强涡流比，改善缸壁附近的充量更换，但在气缸中心出现明显的回流区域，过大的涡流比不利于扫气效果的提高；适当增加涡流比有利于扩大天然气着火范围，过大的涡流比使天然气喷束形成窄条形并缩短贯穿距，不利于天然气的混合燃烧，扫气口导流角度为20°时效果最好；相较于深坑形燃烧室，浅盆形和浅?形燃烧室在活塞顶面处的湍流强度更大，分布范围更广，更有利于燃料与空气的混合；燃烧室形状对HPDI天然气船机的影响不如扫气口参数影响明显。
基于上述研究规律认识，以降低NOx排放满足TierⅢ法规为目标，综合研究了EGR、米勒循环和天然气喷射策略的排放控制策略。研究表明，单独使用30%EGR率可满足TierⅢ法规，但指示油耗和碳烟排放显著升高；使用米勒循环降低NOx排放的潜力低于EGR；过大的排气阀晚关角度在降低等量NOx排放情况下油耗升高较多，且压气机工作负荷较大；采用25%EGR率耦合排气阀关闭时刻推迟5℃A并提前2℃A天然气喷射正时，可在指示油耗仅增加1.58%的前提下降低77%NOx排放，满足TierⅢ法规；采用天然气主预喷间隔为2℃A，预喷量为20%的两次喷射策略，耦合25%EGR率，可在不牺牲油耗的前提下将NOx排放降低至TierⅢ法规限值下，但碳烟排放会升高至10.3mg/kWh，且缸内燃烧峰值压力较高，对缸体强度提出了更高的要求。
综上，本文系统研究了关键结构参数对HPDI天然气船机燃烧和排放的影响规律，在此基础上提出了满足IMOTierIII法规的控制策略，对高压直喷天然气船用低速机开发具有重要的指导意义和工程应用价值。