Сравнительный анализ характеристик сгорания и образования выбросов в судовых дизельных двигателях при использовании биотоплив: анализ химических механизмов и моделирование методами вычислительной гидродинамики

В исследовании представлен комплексный анализ механизмов сгорания и образования выбросов в судовых дизельных двигателях при использовании смесей с биодизельным топливом на основе экспериментальной валидации и моделирования методами вычислительной гидродинамики с применением MATLAB 2024a. Были испытаны два судовых двигателя — YANMAR 6HAL2-DTN (200 кВт, 1200 об/мин) и Niigatta Engineering 6L34HX (2471 кВт, 600 об/мин) — при содержании биодизельного топлива B0, B20, B50 и B100 и нагрузках от 10 до 100%. Методология объединяет детальные экспериментальные измерения выбросов отработавших газов, расхода топлива и рабочих характеристик двигателя с трехмерным моделированием методами вычислительной гидродинамики, включающим RNG-модель турбулентности k–ε, модель распада капель Кельвина—Гельмгольца—Рэлея—Тейлора и расширенный механизм Зельдовича для моделирования образования NOx. Основные результаты показывают, что содержание кислорода в биодизельном топливе (10–12% по массе) повышает максимальную температуру сгорания на 25 °C при нагрузке 50%, что приводит к увеличению выбросов NOx на 5–13% при всех нагрузках. В то же время выбросы CO снижаются на 7–10% вследствие усиления реакций окисления. Анализ методом вычислительной гидродинамики показывает, что для B100 глубина проникновения топливного факела на 12% больше, диаметр Заутера на 20% больше, а скорость испарения на 20–25% ниже по сравнению с B0. Термический механизм Зельдовича доминирует в образовании NOx (>90%); вклад prompt-NO и fuel-NO при нагрузке 25% увеличивается соответственно с 6,5 и 0,3% для B0 до 7,2 и 1,3% для B100. Оптимальный момент впрыска зависит от доли биодизельного топлива: для B0 он составляет 13–15° до верхней мёртвой точки (ВМТ), а для B100 снижается до 10–12° до ВМТ. Эти количественные результаты обеспечивают основу для оптимизации судовых дизельных двигателей на основе экспериментальных данных с целью повышения экологических характеристик при сохранении эксплуатационной эффективности.