壓燃式天然氣發(fā)動機燃燒過程模擬計算和試驗研究

石磊

天津內(nèi)燃機研究所，天津 ，300072

壓燃式天然氣發(fā)動機燃燒過程模擬計算和試驗研究

石磊

天津內(nèi)燃機研究所，天津 ，300072

用天然氣來取代部分燃油，不僅有助于降低燃料成本，減少環(huán)境污染，還可以改善我國能源緊缺現(xiàn)狀，緩解油機燃料供需緊張局面，所以是集經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)保、節(jié)能等多重作用的首選方案。所以當前開發(fā)一款高性能的天然氣發(fā)動機，是內(nèi)燃機研究人員的首要任務(wù)。從目前天然氣發(fā)動機的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，由于天然氣發(fā)動機壓縮著火方式有助于改善排放性能，提高發(fā)動機的熱效率，所以應(yīng)加強對壓燃式天然氣發(fā)動機燃燒過程的研究。本文正是對不同供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動機燃燒過程進行模擬計算和實驗研究。

壓燃式；天然氣發(fā)動機；模擬計算；試驗研究

本次研究對不同供氣模式下，壓燃式天然氣發(fā)動機的著火和燃燒機理及其影響因素進行CFD模擬計算。

1 進氣道供氣模式下的壓燃式天然氣發(fā)動機的燃燒過程研究

在進氣道供氣模式下，天然氣先噴入進氣道，然后和空氣混合之后，進入氣缸，形成均質(zhì)混合氣，使用缸內(nèi)混合氣過量空氣系數(shù)來衡量均質(zhì)混合氣的濃度，并設(shè)置模擬計算的初始條件。本文主要研究進氣溫度對進氣道供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動機燃燒過程的影響，并對一系列的參數(shù)進行模擬計算。表1為模擬計算時需要使用的邊界條件和初始條件。

表1 模擬計算時需要使用的邊界條件和初始條件

在進氣溫度為400K、410K、420K，轉(zhuǎn)速為1200r/min、電熱塞溫度為1300K、過量空氣系數(shù)為3.0時，進氣道供氣模式著火前后燃燒室內(nèi)溫度分布的具體情況。在進氣溫度達到400K時，上止點后10°CA，燃燒室中還沒有出現(xiàn)高溫燃燒火焰，是因為進氣預熱程度不夠，壓縮終了主燃燒室和副燃燒室內(nèi)混合氣溫度無法達到著火溫度，從而出現(xiàn)了失火現(xiàn)象。在溫度達到410K時，，上止點處副燃燒室中心部位的溫度最高，達到1200K，并且主燃燒室和副燃燒室之間出現(xiàn)了溫度分層，溫差大約達到100°CA，此時混合氣還沒有著火，上止點后1°CA時，副燃燒室中心部位出現(xiàn)一個高溫區(qū)域，溫度達到2000K，說明此處應(yīng)該先著火。上止點后7°CA時，整個燃燒室都有高溫火焰。在進氣溫度為420K時，上止點前3°CA，主燃燒室和副燃燒室的溫度都比較高，達到了1200K，但是在上止點前1°CA時，主燃燒室和副燃燒室?guī)缀跬瑫r著火，上止點后3°CA時，整個燃燒室都有火焰。所以，在進氣道供氣模式下，進氣溫度如果過低，天然氣發(fā)動機就會出現(xiàn)失火現(xiàn)象。進氣溫度越來越高，加劇了著火前的化學反應(yīng)過程，從而出現(xiàn)著火。由于副燃燒室的溫度相對較好，所以副燃燒室先著火。在進氣溫度進一步升高時，整個燃燒室都著火。

2 缸內(nèi)供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動機的燃燒過程研究

本文主要研究進氣溫度、電熱塞溫度對壓燃式天然氣發(fā)動機燃燒過程的影響，缸內(nèi)供氣模式下模擬計算的邊界條件、初始條件以及運行參數(shù)如表2所示。

表2 缸內(nèi)供氣模式下模擬計算的邊界條件、初始條件以及運行參數(shù)

所以，在缸內(nèi)供氣模式時，電熱塞溫度和進氣溫度都會對壓燃式天然氣發(fā)動機的燃燒過程造成一定的影響。但是由于在缸內(nèi)供氣模式下，燃料主要是在副燃燒室集中分布，所以電熱塞溫度和進氣溫度只會對著火時間造成影響，不會改變缸內(nèi)供氣模式下副燃燒室先著火的特點。

3 復合供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動機的燃燒過程研究

本文主要研究進氣溫度對壓燃式天然氣發(fā)動機燃燒過程的影響，復合供氣模式下模擬計算的邊界條件、初始條件以及運行參數(shù)如表2所示，計算通道采用圓形通道，直徑為8毫米。

表3 復合供氣模式下模擬計算的邊界條件、初始條件以及運行參數(shù)

在復合供氣模式下，進氣溫度主要是通過改變主燃燒室和副燃燒室內(nèi)的溫度分層效果，來影響壓燃式天然氣發(fā)動機的燃燒過程。將進氣溫度提高到460K，著火時刻提前到上止點前4°CA，這是由于進氣溫度的上升，加速了化學方應(yīng)速率，促使副燃燒室的混合氣可以更早著火。如果進氣溫度只有430K，由于壓縮終了混合氣溫度達不到著火溫度，就會出現(xiàn)失火情況。當進氣溫度達到450K時，著火時刻就會發(fā)生在上止點附近，著火時間就更短。

4 結(jié)語

目前，壓燃式天然氣發(fā)動機主要采用三種供氣模式，分別為單獨進氣道供氣模式、單獨缸內(nèi)供氣模式以及缸內(nèi)供氣和進氣道供氣結(jié)合的復合供氣模式，本文正是對不同供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動機燃燒過程進行模擬計算和實驗研究，為有關(guān)研究人員提供參考。

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石磊/1989年生/男/新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊人/本科/助理工程師/研究方向為熱能與動力工程