高性能大功率天然氣發(fā)動機燃燒系統(tǒng)開發(fā)研究.pdf

1、面對能源和環(huán)保兩大問題的嚴峻挑戰(zhàn)，世界各國都開始認真思考能源利用結構的調整和可持續(xù)發(fā)展問題。天然氣具有資源豐富、排放污染低、價格低廉等方面的優(yōu)點，日益受到重視，是一種很有發(fā)展前景的內燃機燃料，在滿足能源需求方面越來越重要。我國自上世紀八十年代開始天然氣發(fā)動機的研發(fā)和推廣工作，并取得了巨大進步，但在高性能大功率天然氣發(fā)動機研發(fā)方面與國外先進水平尚有不小的差距，導致了我國自主品牌高性能大功率天然氣發(fā)動機的產品的欠缺，制約了在更廣泛區(qū)域推廣應

2、用天然氣應用。
　　 本文結合某大功率天然氣發(fā)動機研發(fā)項目，采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗驗證相結合的方法開展了整機性能開發(fā)研究，實現(xiàn)了該項目的預期研發(fā)目標;并對未來滿足更高排放標準的發(fā)動機的研發(fā)途徑進行了一些探索，論文的主要工作包括:
　　 (1)提出了基于熱力學性能仿真與單缸機試驗相結合的研究方法進行多缸大功率天然氣發(fā)動機的整機性能開發(fā)，大大提高了開發(fā)進程和精度，并有效降低開發(fā)成本。參考同類型發(fā)動機的相關參數(shù)，并根據(jù)經

3、驗確定多缸整機的一些參數(shù)，建立整機熱力學性能仿真模型;根據(jù)多缸機仿真結果建立單缸機熱力學仿真模型，并設計開發(fā)單缸試驗機，進行性能試驗和部件開發(fā)試驗，試驗的初始參數(shù)和邊界條件通過單缸機熱力學仿真模型獲得;應用單缸試驗機測試得到的放熱率等結果標定后再移植到多缸機熱力學計算模型中，從而實現(xiàn)多缸機整機性能的精確預測。
　　 (2)結合CH4的簡化化學反應動力學模型，通過三維數(shù)值分析手段，詳細研究了預燃室式燃燒系統(tǒng)中預燃室與主燃燒室之間的

4、噴孔對于燃燒的影響。當總流通截面積相等時，過多的小直徑噴孔，由于節(jié)流嚴重;當噴孔個數(shù)較少時，火焰覆蓋面不夠，燃燒速度也會受到影響;對于該燃燒系統(tǒng)來說，相比10個和6個噴孔而言，8個2mm直徑的噴孔能夠獲得最快速的燃燒。
　　 (3)通過研究發(fā)現(xiàn)，過小的噴孔截面直徑不利于預燃室內的火焰向主燃燒室內的傳播，稍大些的噴孔直徑有利于主燃燒室內稀混合氣的快速燃燒，但過大的直徑由于預燃室內泄壓過快也會影響主燃燒室內的燃燒速度。
　　

5、 (4)對于不同夾角的研究表明，小的夾角使火焰在活塞運動軸線方向上傳播較快;而大的夾角，在氣缸半徑方向上傳播速度會快些。由于天然氣發(fā)動機的缸徑較大，并且沒有組織缸內渦流，加上燃燒室形狀為淺盆形，稍大些的夾角更有利于該氣體發(fā)動機缸內稀混合氣的快速燃燒。
　　 (5)對不同預燃室容積的仿真研究發(fā)現(xiàn)，在相同預燃室燃氣供應量的情況下，小些的預燃室容積能夠獲得較濃的混合氣，預燃室點火燃燒后能夠獲得較高的壓力，可以更快的引燃主燃燒室內的稀混

6、合氣。
　　 (6)針對天然氣發(fā)動機開發(fā)過程中必須面對的爆震現(xiàn)象，提出了爆震指數(shù)的概念，并用其來監(jiān)測和評價天然氣發(fā)動機的爆震程度。通過試驗獲得了該發(fā)動機的爆震極限。
　　 (7)經過優(yōu)化的預燃室燃燒系統(tǒng)，在單缸試驗機上進行了預燃室式燃燒系統(tǒng)的開發(fā)試驗。試驗研究了不同開啟壓力對整機燃燒的影響。試驗結果表明同樣的燃氣供應量情況下，小的燃氣噴射閥開啟壓力可以使預燃室內的混合氣獲得較長的混合形成時間，更有利于形成均勻的混合氣，從

7、而在點火后盡快燃燒，可以獲得較高的能量引燃主燃燒室內的稀混合氣，因此較小的開啟壓力會對整體燃燒更有利些。文中還試驗研究了預燃室容積和主燃燒室凹坑形狀對燃燒性能的影響，確定了發(fā)動機的預燃室式燃燒系統(tǒng)具體結構。通過驗證試驗表明開發(fā)的預燃室式燃燒系統(tǒng)能夠滿足IMO TierⅡ排放標準，達到了預期的性能設計目標。
　　 (8)為了探索滿足更高排放標準的技術途徑，對比分析了發(fā)動機缸內氣流運動的評價方法，并應用瞬態(tài)渦流比、瞬態(tài)滾流比和瞬態(tài)擠

8、流比等瞬態(tài)評價參數(shù)對該發(fā)動機的進氣、壓縮過程進行了細致的分析，并探討了其對于燃燒的影響。
　　 (9)提出了火焰貫穿度的概念，并用其評價預燃室式燃燒系統(tǒng)中主燃燒室內稀混合氣的燃燒速度。通過數(shù)值仿真手段研究了氣流組織對于不同濃度稀混合氣燃燒的影響，結果表明在缸內混合氣過量空氣系數(shù)為1.8以下時，缸內氣流運動對于燃燒的影響不大，主燃燒室內稀混合氣燃燒的主要驅動力為預燃室內濃混合氣燃燒產生的高壓火焰束，高壓火焰通過噴孔噴入主燃燒室;在

9、過量空氣系數(shù)不大于1.8時，過量空氣系數(shù)越小，火焰貫穿度越大，燃燒速度越快，就可以不組織缸內的渦流運動。當火焰貫穿度較小時，要想獲得理想的燃燒速度，適當?shù)臍饬鹘M織是不可或缺的。
　　 (10)進行了配氣系統(tǒng)與燃燒系統(tǒng)的匹配研究，數(shù)值仿真結果表明采用預燃室式燃燒系統(tǒng)、高增壓、強米勒、恰當?shù)臏u流和大λ技術將是應對更高排放標準的有效技術途徑。
　　 論文對大功率天然氣發(fā)動機整機性能開發(fā)方法、高性能燃燒系統(tǒng)、爆震評價、稀混合氣組