大缸径气体机预燃室式燃烧系统开发

摘要

能源和环境是人类社会面临的两大问题，而能源作为人类社会生存发展的重要物质基础，与国家经济的发展和人民群众的生活息息相关。与汽油和柴油相比，天然气作为车用和船用燃料对环境的污染更小，因此对天然气发动机的研究日益受到关注。相对于天然气发动机的其他部分，针对燃烧系统的改进能更为根本地改善发动机的动力性和污染物排放，其研究成果对天然气发动机的设计也具有指导意义。
　　由于天然气的燃烧放热速度往往比柴油更慢，因此大缸径天然气发动机常采用某些手段来加速燃烧，预燃室式燃烧系统是较为简单有效的方法。在燃烧室中加装预燃室并对预燃室独立供气，使预燃室内的浓混合气能在点燃后能够形成高温燃气，以此引燃主燃室内的稀混合气，并加速天然气的燃烧放热过程。
　　本课题以一台大缸径点燃式天然气发动机为研究对象，通过为其燃烧系统添加预燃室，使其成为复合供气式天然气发动机，并采用模拟计算与试验验证相结合的方法对其动力性、经济性和污染物排放进行优化。具体而言，首先为其建立了一维热力学模型，并基于试验数据对其进行了标定，使其能为三维燃烧计算过程提供较为准确的边界条件;然后建立了基于化学反应动力学的三维燃烧计算模型，根据试验数据对其进行标定;在三维燃烧计算模型能准确反映发动机工作状态的基础上，分别对预燃室的容积占比、连接管的布置方案以及独立供气的压力进行调整，计算并分析其对燃烧历程和排放的影响。
　　对比不同预燃室容积占比的结果可以发现，随着预燃室容积的增加，预燃室内压力上升速度变慢，但预燃室内容纳的可燃混合气更多，这使高温燃气可以更为持久地引燃主燃室的稀混合气，从而加速主燃室内的燃烧过程，使得缸内压强更高，NOx生成更多，碳烟的残余量更少。缸内最高爆发压力方面，以预燃室容积1％的17.85MPa为基础，0.75％的降低了30％，1.25％的上升了4.5％，这也说明在该容积范围内，容积减小对燃烧的影响更明显。
　　连接管布置方案以Φ2.8mm*6为基础，设计减小管径的Φ2.5mm*6方案和增大管径但保持过流断面总面积的Φ3.07mm*5方案。结果表明减小管径增加了连接管的局部阻力，因此火焰由预燃室传播到主燃室减缓，主燃室的燃烧放热速度降低，NOx生成减少，碳烟残余增加;增大管径但过流断面面积不变减小了连接管的局部阻力和沿程阻力，因此加速了火焰由预燃室传播到主燃室的速度，增加了主燃室的燃烧放热速度。缸内最高爆发压力方面，以Φ2.8mm*6的17.85MPa为基础，Φ2.5mm*6的下降了7.5％，Φ3.07mm*5的上升了2.9％。
　　从预燃室独立供气压力394kPa、404kPa和414kPa的计算结果可发现，供气压力对燃烧的影响并非单调，气流运动对燃烧的作用更显著。受预燃室的形状和连接管切向布置的影响，预燃室独立供气后在预燃室顶部的火花塞火核附近形成的气流运动可分解为两个旋向垂直的漩涡，使该区域保持高当量比，其中竖直平面内的漩涡会在压缩行程内与来自主燃室的稀混合气作用。394kPa漩涡的强度不足，因而在压缩冲程被稀混合气冲散，导致电极附近当量比偏低，预燃室内燃烧放热速度偏高，无法持续引燃主燃室的稀混合气，整体上延缓了燃烧过程;414kPa漩涡的强度偏高，压缩冲程卷吸稀混合气过多，同样导致电极附近当量比偏低，其过程和结果与394kPa类似;404kPa漩涡的强度适中，得以保持较为完整的漩涡形状，从而维持了火花塞火核附近的高当量比，相比之下燃烧开始阶段放热最慢，而后放热最快，因此总体上404kPa的燃烧放热速度最快，缸内最高爆发压力最高。
　　最后综合考虑动力性、经济性和污染物排放，选择了预燃室容积占比1.25％、连接管布置方案Φ3.07mm*5，预燃室供气压力404kPa的方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 天然气发动机分类

1．2．1 点燃式天然气发动机

1．2．1 压燃式天然气发动机

1．3 天然气发动机技术研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 数值模拟在发动机开发中的应用

1．4．1 一维热力学仿真计算

1．4．2 CFD仿真计算

1．5 本课题主要研究内容

第2章 数值模拟方法和计算模型

2．1 数值模拟方法

2．1．1 有限差分法

2．1．2 有限体积法

2．1．3 离散格式

2．1．4 压力修正法

2．2 控制方程

2．2．1 基础控制方程

2．2．2 气体状态方程

2．2 湍流模型

2．2．1 RANS方法

2．2．2 LES方法

2．3 源项模型

2．4 燃烧模型

2．4．1 SAGE模型

2．4．2 天然气燃烧反应机理

2 ．5 一维燃烧模型

2．6 本章小结

第3章 一维热力学模型和三维计算模型的建立与验证

3．1 一维热力学模型

3．1．1 研究对象

3．1．2 BOOST模型建立

3．1．3 一维热力学模型参数设置

3．1．4 计算模型验证

3．2 三维燃烧计算模型

3．2．1 模型建立和网格划分

3．2．3 计算模型设置

3．2．4 计算模型验证

3．4 本章小结

第4章 预燃室式燃烧系统仿真研究

4．1 预燃室容积对燃烧过程的影响

4．2 连接管布置方案对燃烧过程的影响

4．3 预燃室供气压力对燃烧过程的影响

4．4 预燃室布置方案确定

4．5 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

附录

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

学位论文评阅及答辩情况表