doi: 10.52899/24141437_2026_02_207
UDK: 62-144.3

Numerical study of fuel combustion in a high-speed marine engine

Галиев И. Р., Черкаев Г. В., Чан Х. Б.
Article language:
Citation Link: Галиев И.Р., Черкаев Г.В., Чан Хыу Бак. Численное исследование процесса сгорания топлива в судовом высокооборотном двигателе // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2026. Т. 5, № 2. С. 207–218. DOI: 10.52899/24141437_2026_02_207 EDN: NWRDUY

Annotation

Актуальность. Исследование процесса горения в судовых газопоршневых двигателях является актуальной задачей, поскольку позволяет определить оптимальные конструкционные и эксплуатационные характеристики двигателя, обеспечивающие эффективность его работы, что способствует снижению расхода топлива, повышению эффективности сжигания природного газа и снижению концентрации загрязняющих веществ в выхлопных газах. Цель. Численное исследование процесса сгорания метановоздушной смеси, изучение закономерностей изменения кинетики химических реакций и характеристик ламинарного пламени в судовом высокооборотном двигателе. Методы. Для численного исследования процессов горения метановоздушной смеси использовали детальный кинетический механизм GRI-Mech 3.0 и применяли уравнения сохранения массы, энергии, состояния и Аррениуса. Коэффициент избытка топлива в исследовании изменялся от 0,7 до 1,3, температура метановоздушной смеси — от 400 до 800 K, давление в камере сгорания — от 1 до 10 МПа. Результаты. Разработана методика численного исследования процесса сгорания топлива в судовом газопоршневом двигателе. Получены закономерности изменения кинетики химических реакций, адиабатной температуры пламени, скорости распространения ламинарного пламени и его чувствительности при изменении коэффициента избытка топлива и термодинамических характеристик камеры сгорания двигателя. Заключение. Установлено, что скорость распространения и адиабатная температура метановоздушного пламени зависят от коэффициента избытка топлива, давления и температуры в камере сгорания и достигают максимальных значений при стехиометрическом составе смеси. Интегральный анализ путей реакций показал, что коэффициент избытка топлива влияет на путь реакций, а не на химический механизм во фронте пламени. На основе анализа чувствительности реакций, протекающих во фронте пламени, был предложен сокращённый кинетический механизм горения метана в поршневом двигателе. Keywords: метановоздушная смесь, скорость распространения пламени, кинетический механизм, CFD-моделирование, анализ путей реакций, горение, давление

Bibliography

1. www.imo.org [Электронный ресурс]. International code of safety for ships using gases or other lowflashpoint fuels (IGF Code). London: International Maritime Organization. Режим доступа: https://www.imo.org/ en/ourwork/safety/pages/igf-code.aspx Дата обращения: 14.04.2026.
2. sealng.org [Электронный ресурс]. SEALNG. Focus on practicality drives LNG pathway growth in 2024. 2025. Режим доступа: https://sealng.org/2025/01/focus-on practicality-drives-lng-pathway-growth-in-2024/ Дата обращения: 14.04.2026.
3. www.lloydslist.com [Электронный ресурс]. Lloyd’s List. Number of ships using LNG up 33% in 2024. 2025. Available from: https://www.lloydslist.com/LL1152328/Number-of-ships-using-LNG-up33-in-2024 Дата обращения: 14.04.2026.
4. Biernat K., Samson Brek I., Chłopek Z., et al. Assessment of the environmental impact of using methane fuels to supply internal combustion engines // Energies. 2021. Vol. 14, N 11. P. 3356. doi: 10.3390/en14113356 EDN: FTPQMI
5. Jo K.S., Kong K.J., Han S.H. Comparative analysis of combustion characteristics and emission formation in marine diesel engines using biofuels // Journal of Marine Science and Engineering. 2025. Vol. 13, N 6. P. 1098. doi: 10.3390/jmse13061098 EDN: CWWGRI
6. Krivopolianskii V., Valberg I., Stenersen D., et al. Control of the combustion process and emission formation in marine gas engines // Journal of Marine Science and Technology. 2018. Vol. 24, N 2. P. 593–611. doi: 10.1007/s00773-018-0556-0 EDN: HPIRSN
7. Pham V.C., Rho B.S., Kim J.S., et al. Effects of various fuels on combustion and emission characteristics of a four stroke dual fuel marine engine // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. Vol. 9, N 10. P. 1072. doi: 10.3390/jmse9101072 EDN: JPXXEV
8. Rudnev B.I., Povalikhina O.V. Analysis of influence of combustion process on parameters of local radiative heat transfer in cylinder of marine high speed diesel engines // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2025. Vol. 59, N 3. P. 848–853. doi: 10.1134/S0040579525602456 EDN: TZHRCQ
9. Kowalski J. The model of combustion process in the marine 4 stroke engine for exhaust gas composition assessment // Combustion Engines. 2016. Vol. 165, N 2. P. 60–69. doi: 10.19206/CE-2016-208
10. Гаврилов В.В., Мащенко В.Ю. Теоретические основы и методика анализа процесса горения в судовом ДВС по индикаторным диаграммам // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2016. № 1(35). С. 154–164. doi: 10.21821/2309-5180-2016-8-1-154-164 EDN: VMAZBP
11. Li Y., Zhou C.W., Somers K.P., et al. The oxidation of 2-butene: a high pressure ignition delay, kinetic modeling study and reactivity comparison with isobutene and 1-butene // Proceedings of the Combustion Institute. 2017. Vol. 36, N 1. P. 403–411. doi: 10.1016/j.proci.2016.05.052
12. Larsson A., Zettervall N., Hurtig T., et al. Skeletal methaneair reaction mechanism for large eddy simulation of turbulent microwaveassisted combustion // Energy & Fuels. 2017. Vol. 31, N 2. P. 1904–1926. doi: 10.1021/acs.energyfuels.6b02224 EDN: WLIAGP
13. Seshadri K., Pitsch H., Peters N., et al. Asymptotic analysis of the structure of moderately rich methaneair flames // Combustion and Flame. 1998. Vol. 113, N 4. P. 589–602. doi: 10.1016/S0010-2180(97)00272-1 EDN: ABEHZR
14. Zettervall N., Fureby C., Nilsson E.J.K. Evaluation of chemical kinetic mechanisms for methane combustion: a review from a CFD perspective // Fuels. 2021. Vol. 2, N 2. P. 210–240. doi: 10.3390/fuels2020013 EDN: FGEVDR
15. Галиев И.Р. О влиянии характеристик турбулентности на скорость распространения и ширину пламени // Двигателестроение. 2023.
№ 4(294). С. 32–41. EDN: GTGVSB
16. Amirante R., Distaso E. Laminar flame speed correlations for methane, ethane, propane and their mixtures, and natural gas and gasoline for spark ignition engine simulations // International Journal of Engine Research. 2017. Vol. 18, N 9. P. 951–970. doi: 10.1177/1468087417720018
17. Lou H.H. Optimal reduction of the C1−C3 combustion mechanism for the simulation of flaring // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2012. Vol. 51, N 39. doi: 10.1021/ie2027684
18. Варнатц Ю., Маас У., Дибл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. Пер. с англ. Г.Л. Агафонова; под ред. П.А. Власова. Москва: Физматлит; 2003. 352 с. ISBN: 5-9221-0438-1
19. Arpaia F. Laminar flame speed prediction for Natural Gas/hydrogen blends and application to the combustion modeling in IC Engines [master’s thesis]. Turin: Politecnico di Torino; 2019. 98 p.
20. Demesoukas S. 0D modeling aspects of flame stretch in spark ignition engines and comparison with experimental results // Applied Energy. 2016. Vol. 179. P. 401–412. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.07.007