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原文传递喷射策略和燃烧室形状对天然气发动机燃烧特性的影响研究

论文题名：	喷射策略和燃烧室形状对天然气发动机燃烧特性的影响研究
关键词：	天然气发动机;船舶动力装置;混合气;喷射策略;燃烧室形状;燃烧特性
摘要：	为满足更加严格的船用发动机二阶段法规，采用当量比+TWC的方式对于船机而言成本昂贵;稀薄燃烧作为另一实现发动机高性能低排放的措施。然而发动机采用多点喷射虽然可以降低由气门重叠角导致的甲烷逃逸，但是存在着其进气混合的均匀性差的缺点，天然气本身存在火焰传播速度慢的弱点，在采用稀薄燃烧时尤为明显。此外稀薄燃烧也会增加燃烧不稳定性，缸内混合气燃烧变差，排放恶化。为优化预混合燃烧的进气道多点喷射天然气发动机燃烧特性，实现发动机缸内天然气高效燃烧。对天然气发动机的进气过程而言，燃气喷射策略（喷射位置与方向、喷射正时、喷射规律）影响着天然气与空气混合以及进入缸内后的混合气体分布;此外缸内的气流运动对缸内混合气的分布及火焰传播也有着至关重要的作用。本研究以优化缸内混合气高效燃烧为切入点，选取发动机燃烧效果较差的中低负荷工况，采用发动机台架试验与三维数值模拟两种方法进行研究。以试验的方法探究了采用不同形状的喷管将进气混合均匀性提升以及不同的喷气规律对发动机燃烧及排放的影响;以数值模拟的方法分析及揭示喷气时刻的改变、燃烧室结构对稀薄燃烧天然气发动机燃烧特性的影响。本研究对天然气发动机实现更加高效且清洁的燃烧以及开发适用于即将实施的船用二阶段排放法规的天然气发动机燃烧系统具有重要参考价值。　　首先不同的喷管形状以及喷气规律的发动机台架试验结果表明:50％负荷时，采用侧壁打孔的喷管，其通过增大天然气与空气的扰动效果，提高进气混合的均匀性。λ为1.42时，缸内最大燃烧压力Pmax增加7.1％(从41.84bar至44.79bar)，滞燃期缩短2℃A，放热率峰值相对提高，混合气燃烧高效，燃烧相位提前，COVIMEP从5.37％变化至3.89％，有利于扩展稀燃极限。CH4和CO排放分别减少9.6％和8.5％。中低负荷下，采用较高的7.27bar喷气压力时，缸内燃烧效果更优。其中50％负荷时:较高的天然气喷射压力的情况，最大燃烧压Pmax增加4.8％(从48.89bar至51.36bar)，CH4和CO排放分别降低13.6％和25％。此外降低喷气压力会使得喷气脉宽扩大，考虑喷射时刻过早造成的扫气天然气逃逸以及喷气时刻过晚造成的进气道残留，这会使得低喷气压力下喷气时刻的改变范围严重受限。所以在中低负荷工况下，天然气应采用较高的喷气压力(喷气压力为7.27bar)。　　随后利用热流体软件CONVERGE建立发动三维仿真模型，选取合理子模型以及计算方法，确定初始及边界条件，并对模型的准确性进行了验证。选取50％负荷工况点，分析不同喷气时刻下其混合气浓度场分布在缸内的演变历程及燃烧过程。模拟结果表明，随着喷气时刻的推迟导致天然气进入缸内的时间推迟，混合气浓区逐渐向缸内上部靠近，在进气上止点后60℃A喷气时，火花塞点火时，沿着气缸轴线缸内混合气浓度场分布呈现明显的分层效果，最大燃烧压力提升至51.04bar，增加12.52％，燃烧相位提前，燃烧持续期明显缩短。　　最后在原机燃烧室基础上，利用CATIA设计了缩口形状燃烧室与敞口形状燃烧室进行仿真计算，保持压缩比一致并与原机对比，研究燃烧室结构改变对缸内燃烧特性的影响。模拟结果表明，对船用稀薄燃烧天然气发动机而言，从燃烧角度评价，缩口形燃烧室有更强的挤流作用，火力岸余隙内天然气减少，缸内混合气整体更加聚拢，缸内的平均湍动能整体高于原机。在压缩行程的后期其形成有利于火焰传播的滚流区，混合气燃烧快，最大燃烧压力Pmax为49.15bar（增加8.4％），峰值相位提前3℃A，燃烧持续期缩短，缩口形燃烧室是更理想的燃烧室。敞口形燃烧室并未获得预想的合理混合气分布，且其挤流作用较弱，缸内湍动能低，混合气燃烧效果差。
作者：	王洪悦
专业：	动力工程
导师：	董全;贾德民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020