基于快压机和天然气发动机试验的预燃室式射流点火研究

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1、基于快压机和天然气发动机试验的预燃室式射流点火研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：王博远指导教师：王建昕教授二○一七年十二月ResearchonPre-chamberJetIgnitionBasedonRapidCompressionMachineandNaturalGasEngineExperimentsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthed

2、egreeofMasterofScienceinPowerEngineering&EngineeringThermophysicsbyWangBoyuanDissertationSupervisor:ProfessorWangJianxinDecember,2017摘要摘要点燃式发动机是得到广泛应用的汽车动力源，目前多采用传统火花点火方式，单点着火、火焰传播的点火燃烧形式使其燃烧速率较低，导致热效率逊于压燃式发动机。点燃式发动机中，天然气发动机具有良好应用前景，但其燃烧速度更为缓慢。在油耗法规日益严苛的背景下，改善燃烧特性、

3、提高热效率是点燃式发动机，特别是天然气发动机必然的发展方向。预燃室式射流点火是一项有潜力改善点燃式发动机性能的技术途径。在这一点火模式下，预燃室相当于主燃室的点火源，为后者提供空间分布的射流火焰，同时加强湍流强度，使得主燃室内形成多点点火，火焰传播距离缩短，且火焰发展速度提升，有利于获得更高的热效率。通过预燃室壁面上的若干喷孔在主燃室内产生射流是预燃室式射流点火最为典型的表现形式，这类传统预燃室射流点火的燃烧过程具有较高的复杂性，尚需进一步深化认识。本文在可视化快速压缩机平台上对传统预燃室射流点火进行试验解析，利用不同孔径的

4、预燃室设计发现了两种燃烧放热形式：两阶段形式和单阶段形式。两阶段燃烧形式在喷孔尺度相对较小时出现，此时射流无法直接引导主燃室燃烧，主燃室中心的某一位置在射流产生一段时间后出现着火核心，火焰随后以相近速度向四周快速发展，呈现出滞燃期较长、燃烧持续期极短的特性，但其主燃室着火具有一定随机性，导致燃烧稳定性下降。单阶段燃烧形式能够使滞燃期和燃烧持续期同时缩短，其预燃室与主燃室内的燃烧过程连续进行，射流火焰自喷孔处产生并发展，由近喷孔处的细长火舌和远端的团状火焰组成，轴向发展速度可达火焰传播速度的15倍，且与负荷正相关，该形式的点火

5、燃烧过程具有良好的稳定性。此外，对具有不同尺度喷孔组合的预燃室设计进行了试验，研究了两束射流火焰产生的顺序关系及其强度差异。根据预燃室式射流点火的设计思路，借鉴火焰在管道中的加速现象，提出了火焰加速腔射流点火模式，由火焰加速腔作为预燃室，使火焰在其内部完成加速，随后在主燃室内形成射流火焰，引发快速燃烧。快速压缩机上的研究结果表明，火焰加速腔射流点火能够有效促进燃烧，射流火焰呈圆柱状，具有良好的速度特性。发动机试验证明，火焰加速腔射流点火模式能够获得高于传统火花点火的热效率，点火系统内引入废气腔设计有利于拓展该模式的失火极限。

6、关键词：预燃室；射流点火；火焰加速腔；快速压缩机；天然气发动机IAbstractAbstractSparkignition(SI)enginesarewidelyusedasautomotivepower,whichusuallyadaptconventionalsparkignitionmode.However,thethermalefficiencyofconventionalSIenginesisnotcomparabletothatofcompressionignitionenginesduetoitsrelativ

7、elylowcombustionvelocity,resultingfromthecombustionmodecomposedofsingle-pointignitionandflamepropagation.NaturalgasenginespossesspromisingperspectiveamongSIenginesbutthecombustionvelocityisevenlower.Hence,duetoincreasinglystringentregulationinautomotivefueleconomy,

8、optimizingthecombustioncharacteristicsandimprovingthethermalefficiencyarebothinevitabledirectionofdevelopmentforSIengines,especiallyfornaturalgas