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原文传递被动预燃室对天然气发动机燃烧过程影响的模拟研究

论文题名：	被动预燃室对天然气发动机燃烧过程影响的模拟研究
关键词：	被动预燃室;混合气;热射流;布置方式;喷孔锥角;热效率
摘要：	随着汽车工业快速发展，石油资源的需求量急剧增大，替代燃料天然气在发动机中的应用引起了国内外专家学者的关注。我国天然气资源丰富、天然气发动机具有抗爆性好、热值高、清洁环保等特点，因此进一步提升天然气发动机的热效率具有重要的环保与经济价值。目前研究表明，在发动机燃烧室中增加预燃室系统可以提升缸内湍流强度并加速缸内混合气燃烧。预燃室结构和参数不仅直接影响发动机的缸压和放热率，而且间接影响发动机性能和热效率。目前，针对被动预燃室对天然气发动机影响机制的认识与研究比较匮乏，为了进一步提升天然气发动机的热效率，本文拟探究被动预燃室对天然气发动机燃烧过程的影响；分析了原机搭载被动预燃室后对主燃室燃烧的影响；探究其喷孔设计参数对燃烧过程的影响；研究其几何容积及位置对发动机性能的影响。研究成果可为搭载预燃室的天然气发动机热效率提升提供理论帮助。　　本文研究中，使用CFD软件CONVERGE搭建了数值模拟仿真平台。研究中设计多种不同结构的被动预燃室为研究对象，如“4、6、8孔不同喷孔数的预燃室”、“63°、67.5°、70°不同喷孔锥角的预燃室”和“5.5mm、7.5mm、13mm、18mm和22.5mm的不同布置深度”。同时，调整环境参数并优化边界条件，研究其对发动机燃烧的影响，测试其稳定性并计算热效率。主要研究内容和结论如下：　　1）分析了原机搭载被动预燃室后对主燃室燃烧的影响。此部分基于天然气发动机原机仿真结果进行对比研究，针对搭载预燃室前后混合气形成历程、湍流强度、与废气混合状态展开研究。研究表明，在原机基础上，燃烧条件允许的范围内，燃烧室内增加预燃室可以加速燃料-空气混合气流动与混合。预燃室结构对缸内混合气流动有促进作用。　　2）探究预燃室喷孔设计参数对燃烧过程的影响。此部分基于搭载被动预燃室的发动机进行研究，针对预燃室射流孔数量、喷孔锥角、环境参数展开分析。研究表明，采用6孔预燃室时，主燃室具有较高的相对压力峰值且燃烧过程前移，6孔预燃室与研究样机的适配性更好；相比67.5°喷孔锥角，70°和63°喷孔锥角下的缸压峰值和相应曲轴转角均明显降低和推迟，67.5°喷孔锥角与研究样机的适配性更佳；当点火正时设置为-23℃AATDC时，其产生的指示功较原机最大提升比例达3.42%。通过点火提前角调控还有望使发动机获得更大的热效率提升效果；升高初始温度会使预燃室内火核形成和燃烧反应速率提高，有利于预燃室内混合气燃烧更加完全；初始压力对射流特性的影响大体上与温度一致，较高的压力有利于提高预燃室混合气密度和放热量；被动式预燃室射流点火条件下，混合气浓度控制在化学计量比时能够获得较高的峰值压力。　　3）研究其几何容积及位置对发动机性能的影响。此部分针对预燃室与主燃烧室的容积比例和其在主燃烧室内的布置深度进行研究，并汇总各计算模型计算热效率。研究表明，容积较小的预燃室随点火提前角的变化响应性更佳，燃烧滞后现象减弱，具有较好的燃烧加速性；当布置深度为L=22.5时，点火后缸内压力最大值高于原机仿真数据，峰值相位前移，燃烧持续期缩短，混合气燃烧集中度得到提升；在被动式预燃室结构优化研究过程中，有效热效率提升1.16个百分点。　　综上，选取预燃室与燃烧室容积比为1.5%、预燃室射流孔孔数为6孔、布置深度位L=5.5、喷孔锥角为67.5°、点火提前角为-18℃AATDC时，有效热效率提升1.16个百分点，因此可以认为被动式预燃室对研究样机热效率具有较好的提升效果。
作者：	王帅淇
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	王忠恕
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023