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(jié)構(gòu)的調(diào)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(nèi)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(dǎo)致了我國自主品牌高性能大功率天然氣發(fā)動機的產(chǎn)品的欠缺，制約了在更廣泛區(qū)域推廣應(yīng)

2、用天然氣應(yīng)用。
　　 本文結(jié)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(jié)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(yù)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(xué)性能仿真與單缸機試驗相結(jié)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(guān)參數(shù)，并根據(jù)經(jīng)

3、驗確定多缸整機的一些參數(shù)，建立整機熱力學(xué)性能仿真模型;根據(jù)多缸機仿真結(jié)果建立單缸機熱力學(xué)仿真模型，并設(shè)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(xué)仿真模型獲得;應(yīng)用單缸試驗機測試得到的放熱率等結(jié)果標定后再移植到多缸機熱力學(xué)計算模型中，從而實現(xiàn)多缸機整機性能的精確預(yù)測。
　　 (2)結(jié)合CH4的簡化化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型，通過三維數(shù)值分析手段，詳細研究了預(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)中預(yù)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(yù)燃室內(nèi)的火焰向主燃燒室內(nèi)的傳播，稍大些的噴孔直徑有利于主燃燒室內(nèi)稀混合氣的快速燃燒，但過大的直徑由于預(yù)燃室內(nèi)泄壓過快也會影響主燃燒室內(nèi)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(nèi)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(nèi)稀混合氣的快速燃燒。
　　 (5)對不同預(yù)燃室容積的仿真研究發(fā)現(xiàn)，在相同預(yù)燃室燃氣供應(yīng)量的情況下，小些的預(yù)燃室容積能夠獲得較濃的混合氣，預(yù)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(nèi)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(jīng)過優(yōu)化的預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)，在單缸試驗機上進行了預(yù)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(jié)果表明同樣的燃氣供應(yīng)量情況下，小的燃氣噴射閥開啟壓力可以使預(yù)燃室內(nèi)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(nèi)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(yù)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(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)。通過驗證試驗表明開發(fā)的預(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)能夠滿足IMO TierⅡ排放標準，達到了預(yù)期的性能設(shè)計目標。
　　 (8)為了探索滿足更高排放標準的技術(shù)途徑，對比分析了發(fā)動機缸內(nèi)氣流運動的評價方法，并應(yīng)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(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)中主燃燒室內(nèi)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(jié)果表明在缸內(nèi)混合氣過量空氣系數(shù)為1.8以下時，缸內(nèi)氣流運動對于燃燒的影響不大，主燃燒室內(nèi)稀混合氣燃燒的主要驅(qū)動力為預(yù)燃室內(nèi)濃混合氣燃燒產(chǎn)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(nèi)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(jié)果表明采用預(yù)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(shù)將是應(yīng)對更高排放標準的有效技術(shù)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