壓燃式天然氣發動機燃燒過程模擬計算和試驗研究

石磊

天津內燃機研究所，天津 ，300072

壓燃式天然氣發動機燃燒過程模擬計算和試驗研究

石磊

天津內燃機研究所，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，減少環境污染，還可以改善我國能源緊缺現狀，緩解油機燃料供需緊張局面，所以是集經濟效益、社會效益、環保、節能等多重作用的首選方案。所以當前開發一款高性能的天然氣發動機，是內燃機研究人員的首要任務。從目前天然氣發動機的應用現狀來看，由于天然氣發動機壓縮著火方式有助于改善排放性能，提高發動機的熱效率，所以應加強對壓燃式天然氣發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動機燃燒過程進行模擬計算和實驗研究。

壓燃式；天然氣發動機；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，形成均質混合氣，使用缸內混合氣過量空氣系數來衡量均質混合氣的濃度，并設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動機燃燒過程的影響，并對一系列的參數進行模擬計算。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，轉速為1200r/min、電熱塞溫度為1300K、過量空氣系數為3.0時，進氣道供氣模式著火前后燃燒室內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混合氣溫度無法達到著火溫度，從而出現了失火現象。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一個高溫區域，溫度達到2000K，說明此處應該先著火。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幾乎同時著火，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，天然氣發動機就會出現失火現象。進氣溫度越來越高，加劇了著火前的化學反應過程，從而出現著火。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 缸內供氣模式下壓燃式天然氣發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動機燃燒過程的影響，缸內供氣模式下模擬計算的邊界條件、初始條件以及運行參數如表2所示。

表2 缸內供氣模式下模擬計算的邊界條件、初始條件以及運行參數

所以，在缸內供氣模式時，電熱塞溫度和進氣溫度都會對壓燃式天然氣發動機的燃燒過程造成一定的影響。但是由于在缸內供氣模式下，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

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的溫度分層效果，來影響壓燃式天然氣發動機的燃燒過程。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，就會出現失火情況。當進氣溫度達到450K時，著火時刻就會發生在上止點附近，著火時間就更短。

4 結語

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

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