燃烧室形状对天然气发动机燃烧影响的研究

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1、成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集燃烧室形状对天然气发动机燃烧影响的研究王忠恕，段加全，刘印，祝遵祥，刘忠长吉林大学汽车工程学院，长春130022摘要：本文采用实验及三维数值模拟的方法，研究了圆柱、缩口和敞口形燃烧室形状对CA6SE1-21N天然气发动机燃烧性能的影响规律。验证结果表明：CNG发动机混合气形成及燃烧过程的数值模拟结果和试验结果吻合较好，所选模型适合对CNG发动机进行模拟分析。实验和模拟结果均表明燃烧室形状对火焰传播速度影响较大。在三种燃烧室形状中，缩口燃烧室所对应发动机的燃烧及排放性能最好，圆柱形燃烧室次之，而敞口形

2、燃烧室最差。缩口燃烧室由于其缩口设计，使得该处形成较强的挤流，湍流动能增加且维持期较长，导致火焰传播速度明显提高，改善了发动机的燃烧及排放性能。关键词：天然气发动机；燃烧速度；燃烧；数值模拟本模拟研究是在进气道喷射的CA6SE1-21N点燃随着汽车保有量的逐年增加，它在给人们带来极式天然气发动机上进行的，此发动机在CA6DE1-21柴大便捷的同时，也给人类社会带来了一系列突出问题，油机基础上开发的，其结构设计的原则是保持原机基特别是其排放对大气环境污染程度的加大，并且占用本结构不变，尽量保持与原机零部件通用性，如曲轴[1]了大量有限的石油储备资源。世界各国一方面都相连杆机

3、构、冷却系统、润滑系统等保持不变，缸体、继制定了越来越严格的燃油消耗法规和排放法规，另缸盖仅做局部改进，其主要技术参数见表1。一方面也在致力于研究和开发替代燃料发动机。为缓表1CA6SE1-21N点燃式天然气发动机主要技术参数解我国石油资源匮乏和需求之间的矛盾及有利于我国技术参数指标长期可持续稳定的发展和环境保护，需要规划与发展缸径×行程/mm106×125内燃机燃用清洁代用燃料以替代石油基燃料即汽油和[2~5]总排量/L6.62柴油。天然气发动机的排放特性好，以及天然气资源较丰富，使其得到了高度的重视。点火方式点燃天然气发动机的燃烧过程直接决定了其热效率及喷射方式进气道

4、喷射排放水平。国内外大量研究表明，天然气发动机的燃压缩比12.0烧过程往往受控于燃烧边界条件，对燃烧边界条件进-1标定转速/r·min2300[6~9]行优化控制可以有效地改善燃烧和解决排放问题。最大转矩/N·m700燃烧边界条件主要包括供气特性、燃料供给特性和结-1最大转矩转速/r·min1400构参数。其中，供气条件包括进气压力、进气温度、EGR率等；燃料供给条件包括燃油的理化特性、供给排放水平EuroIII（ESC）压力、启喷压力、供给时刻、供给规律（含多次喷射计算所用的燃烧室形状如图1所示。及其策略）等；结构参数包括进气道、燃烧室和进排气门状态等。单纯通过实验的方

5、法，很难获取天然气发动机缸内燃烧的微观信息。随着计算机技术以及CFD和燃烧的三维模拟模型的发展，使得这一研究成为可能。1＃圆柱形本文将通过实验和三维数值模拟的方法，研究燃烧室形状对点燃式CNG发动机燃烧及排放性能的影响规律。1试验样机2＃缩口形国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（批准号：2006AA11A1A6）作者简介：王忠恕（1977－），男，博士，研究方向：内燃机公害与控制。E-mail:wangzhongshu@jlu.edu.cn成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集3＃敞口形图1燃烧室形状试验中采用的主要仪器设备见

6、表2，在第一缸气缸盖上安装压力传感器，用以测量缸内压力。在皮带c)外特性涡前排温曲线轮上安装了DELTER2613B角标仪用以判断发动机的上止点信号和行程信号，角标仪的精度为0.1度。燃烧过程分析采用DEWE-2010型燃烧分析仪。表2主要试验设备名称型号测功器日本小野的电涡流测功机废气测量仪HORIBAMEXA-7000排气分析仪燃烧分析仪DEWETRON-2010型燃烧分析仪空气流量计超声波流量计d)欧Ⅲ排放结果天然气流量计CMFC25M313NUCNG流量计图2不同燃烧室时的外特性及排放试验结果总的来说，圆柱形、缩口形燃烧室的动力性、经2试验结果分析济性和排放都能满

7、足CNG发动机的开发目标敞口形燃烧室性能较差，不能满足开发目标。从比气耗与排对压缩比为12的圆柱形、缩口形和敞口形燃烧室放结果看，缩口形燃烧室优于圆柱形燃烧室。对于这进行外特性对比试验的试验结果如图2所示。由试验一结果将从缸内燃烧过程的模拟计算中进行分析研结果可见，敞口形燃烧室性能最差，其功率明显低于究。圆柱形、缩口形燃烧室，比气耗和涡前排温高，其NOx排放较低，但HC排放较高，说明其燃料CH4剩余量大。圆柱形、缩口形燃烧室的功率很接近，缩口形燃烧室3数学模型和计算方法的比气耗和排放略好于圆柱形燃烧室。3.1湍流模型在发动机缸