大缸徑氣體機(jī)預(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā).pdf

1、能源和環(huán)境是人類(lèi)社會(huì)面臨的兩大問(wèn)題，而能源作為人類(lèi)社會(huì)生存發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，與國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民群眾的生活息息相關(guān)。與汽油和柴油相比，天然氣作為車(chē)用和船用燃料對(duì)環(huán)境的污染更小，因此對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究日益受到關(guān)注。相對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部分，針對(duì)燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)能更為根本地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和污染物排放，其研究成果對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義。
　　由于天然氣的燃燒放熱速度往往比柴油更慢，因此大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)常采用某些

2、手段來(lái)加速燃燒，預(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)是較為簡(jiǎn)單有效的方法。在燃燒室中加裝預(yù)燃室并對(duì)預(yù)燃室獨(dú)立供氣，使預(yù)燃室內(nèi)的濃混合氣能在點(diǎn)燃后能夠形成高溫燃?xì)?，以此引燃主燃室?nèi)的稀混合氣，并加速天然氣的燃燒放熱過(guò)程。
　　本課題以一臺(tái)大缸徑點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)為其燃燒系統(tǒng)添加預(yù)燃室，使其成為復(fù)合供氣式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并采用模擬計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和污染物排放進(jìn)行優(yōu)化。具體而言，首先為其建立了一維熱力學(xué)模型，并基于

3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定，使其能為三維燃燒計(jì)算過(guò)程提供較為準(zhǔn)確的邊界條件;然后建立了基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的三維燃燒計(jì)算模型，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定;在三維燃燒計(jì)算模型能準(zhǔn)確反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，分別對(duì)預(yù)燃室的容積占比、連接管的布置方案以及獨(dú)立供氣的壓力進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算并分析其對(duì)燃燒歷程和排放的影響。
　　對(duì)比不同預(yù)燃室容積占比的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)燃室容積的增加，預(yù)燃室內(nèi)壓力上升速度變慢，但預(yù)燃室內(nèi)容納的可燃混合氣更多，這使高溫

4、燃?xì)饪梢愿鼮槌志玫匾贾魅际业南』旌蠚猓瑥亩铀僦魅际覂?nèi)的燃燒過(guò)程，使得缸內(nèi)壓強(qiáng)更高，NOx生成更多，碳煙的殘余量更少。缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力方面，以預(yù)燃室容積1％的17.85MPa為基礎(chǔ)，0.75％的降低了30％，1.25％的上升了4.5％，這也說(shuō)明在該容積范圍內(nèi)，容積減小對(duì)燃燒的影響更明顯。
　　連接管布置方案以Φ2.8mm*6為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)減小管徑的Φ2.5mm*6方案和增大管徑但保持過(guò)流斷面總面積的Φ3.07mm*5方案。結(jié)果表明

5、減小管徑增加了連接管的局部阻力，因此火焰由預(yù)燃室傳播到主燃室減緩，主燃室的燃燒放熱速度降低，NOx生成減少，碳煙殘余增加;增大管徑但過(guò)流斷面面積不變減小了連接管的局部阻力和沿程阻力，因此加速了火焰由預(yù)燃室傳播到主燃室的速度，增加了主燃室的燃燒放熱速度。缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力方面，以Φ2.8mm*6的17.85MPa為基礎(chǔ)，Φ2.5mm*6的下降了7.5％，Φ3.07mm*5的上升了2.9％。
　　從預(yù)燃室獨(dú)立供氣壓力394kPa、404

6、kPa和414kPa的計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，供氣壓力對(duì)燃燒的影響并非單調(diào)，氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)燃燒的作用更顯著。受預(yù)燃室的形狀和連接管切向布置的影響，預(yù)燃室獨(dú)立供氣后在預(yù)燃室頂部的火花塞火核附近形成的氣流運(yùn)動(dòng)可分解為兩個(gè)旋向垂直的漩渦，使該區(qū)域保持高當(dāng)量比，其中豎直平面內(nèi)的漩渦會(huì)在壓縮行程內(nèi)與來(lái)自主燃室的稀混合氣作用。394kPa漩渦的強(qiáng)度不足，因而在壓縮沖程被稀混合氣沖散，導(dǎo)致電極附近當(dāng)量比偏低，預(yù)燃室內(nèi)燃燒放熱速度偏高，無(wú)法持續(xù)引燃主燃室的稀混合氣

7、，整體上延緩了燃燒過(guò)程;414kPa漩渦的強(qiáng)度偏高，壓縮沖程卷吸稀混合氣過(guò)多，同樣導(dǎo)致電極附近當(dāng)量比偏低，其過(guò)程和結(jié)果與394kPa類(lèi)似;404kPa漩渦的強(qiáng)度適中，得以保持較為完整的漩渦形狀，從而維持了火花塞火核附近的高當(dāng)量比，相比之下燃燒開(kāi)始階段放熱最慢，而后放熱最快，因此總體上404kPa的燃燒放熱速度最快，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力最高。
　　最后綜合考慮動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和污染物排放，選擇了預(yù)燃室容積占比1.25％、連接管布置方案Φ3