高性能大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)研究.pdf

1、面對(duì)能源和環(huán)保兩大問(wèn)題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，世界各國(guó)都開始認(rèn)真思考能源利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。天然氣具有資源豐富、排放污染低、價(jià)格低廉等方面的優(yōu)點(diǎn)，日益受到重視，是一種很有發(fā)展前景的內(nèi)燃機(jī)燃料，在滿足能源需求方面越來(lái)越重要。我國(guó)自上世紀(jì)八十年代開始天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和推廣工作，并取得了巨大進(jìn)步，但在高性能大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)方面與國(guó)外先進(jìn)水平尚有不小的差距，導(dǎo)致了我國(guó)自主品牌高性能大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)研發(fā)項(xiàng)目，采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法開展了整機(jī)性能開發(fā)研究，實(shí)現(xiàn)了該項(xiàng)目的預(yù)期研發(fā)目標(biāo);并對(duì)未來(lái)滿足更高排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)途徑進(jìn)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(jī)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法進(jìn)行多缸大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能開發(fā)，大大提高了開發(fā)進(jìn)程和精度，并有效降低開發(fā)成本。參考同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)經(jīng)

3、驗(yàn)確定多缸整機(jī)的一些參數(shù)，建立整機(jī)熱力學(xué)性能仿真模型;根據(jù)多缸機(jī)仿真結(jié)果建立單缸機(jī)熱力學(xué)仿真模型，并設(shè)計(jì)開發(fā)單缸試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行性能試驗(yàn)和部件開發(fā)試驗(yàn)，試驗(yàn)的初始參數(shù)和邊界條件通過(guò)單缸機(jī)熱力學(xué)仿真模型獲得;應(yīng)用單缸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試得到的放熱率等結(jié)果標(biāo)定后再移植到多缸機(jī)熱力學(xué)計(jì)算模型中，從而實(shí)現(xiàn)多缸機(jī)整機(jī)性能的精確預(yù)測(cè)。
　　 (2)結(jié)合CH4的簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)三維數(shù)值分析手段，詳細(xì)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(duì)于燃燒的影響。當(dāng)總流通截面積相等時(shí)，過(guò)多的小直徑噴孔，由于節(jié)流嚴(yán)重;當(dāng)噴孔個(gè)數(shù)較少時(shí)，火焰覆蓋面不夠，燃燒速度也會(huì)受到影響;對(duì)于該燃燒系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相比10個(gè)和6個(gè)噴孔而言，8個(gè)2mm直徑的噴孔能夠獲得最快速的燃燒。
　　 (3)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)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(guò)大的直徑由于預(yù)燃室內(nèi)泄壓過(guò)快也會(huì)影響主燃燒室內(nèi)的燃燒速度。
　　

5、 (4)對(duì)于不同夾角的研究表明，小的夾角使火焰在活塞運(yùn)動(dòng)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(huì)快些。由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑較大，并且沒(méi)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(dòng)機(jī)缸內(nèi)稀混合氣的快速燃燒。
　　 (5)對(duì)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?xì)夤?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(diǎn)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(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過(guò)程中必須面對(duì)的爆震現(xiàn)象，提出了爆震指數(shù)的概念，并用其來(lái)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震程度。通過(guò)試驗(yàn)獲得了該發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震極限。
　　 (7)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)，在單缸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了預(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)的開發(fā)試驗(yàn)。試驗(yàn)研究了不同開啟壓力對(duì)整機(jī)燃燒的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明同樣的燃?xì)夤?yīng)量情況下，小的燃?xì)鈬娚溟y開啟壓力可以使預(yù)燃室內(nèi)的混合氣獲得較長(zhǎng)的混合形成時(shí)間，更有利于形成均勻的混合氣，從

7、而在點(diǎn)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(huì)對(duì)整體燃燒更有利些。文中還試驗(yàn)研究了預(yù)燃室容積和主燃燒室凹坑形狀對(duì)燃燒性能的影響，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了預(yù)期的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。
　　 (8)為了探索滿足更高排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)途徑，對(duì)比分析了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣、壓縮過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致的分析，并探討了其對(duì)于燃燒的影響。
　　 (9)提出了火焰貫穿度的概念，并用其評(píng)價(jià)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(guò)數(shù)值仿真手段研究了氣流組織對(duì)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(guò)量空氣系數(shù)為1.8以下時(shí)，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)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(dòng)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(guò)噴孔噴入主燃燒室;在

9、過(guò)量空氣系數(shù)不大于1.8時(shí)，過(guò)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(yùn)動(dòng)。當(dāng)火焰貫穿度較小時(shí)，要想獲得理想的燃燒速度，適當(dāng)?shù)臍饬鹘M織是不可或缺的。
　　 (10)進(jìn)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(qiáng)米勒、恰當(dāng)?shù)臏u流和大λ技術(shù)將是應(yīng)對(duì)更高排放標(biāo)準(zhǔn)的有效技術(shù)途徑。
　　 論文對(duì)大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能開發(fā)方法、高性能燃燒系統(tǒng)、爆震評(píng)價(jià)、稀混合氣組