壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程模擬計(jì)算和試驗(yàn)研究

石磊

天津內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 ，300072

壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程模擬計(jì)算和試驗(yàn)研究

石磊

天津內(nèi)燃機(jī)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(jī)燃料供需緊張局面，所以是集經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)保、節(jié)能等多重作用的首選方案。所以當(dāng)前開發(fā)一款高性能的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，是內(nèi)燃機(jī)研究人員的首要任務(wù)。從目前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮著火方式有助于改善排放性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的研究。本文正是對(duì)不同供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程進(jìn)行模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。

壓燃式；天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；模擬計(jì)算；試驗(yàn)研究

本次研究對(duì)不同供氣模式下，壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的著火和燃燒機(jī)理及其影響因素進(jìn)行CFD模擬計(jì)算。

1 進(jìn)氣道供氣模式下的壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程研究

在進(jìn)氣道供氣模式下，天然氣先噴入進(jìn)氣道，然后和空氣混合之后，進(jìn)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(jì)算的初始條件。本文主要研究進(jìn)氣溫度對(duì)進(jìn)氣道供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響，并對(duì)一系列的參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。表1為模擬計(jì)算時(shí)需要使用的邊界條件和初始條件。

表1 模擬計(jì)算時(shí)需要使用的邊界條件和初始條件

在進(jìn)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(shí)，進(jìn)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(jìn)氣溫度達(dá)到400K時(shí)，上止點(diǎn)后10°CA，燃燒室中還沒有出現(xiàn)高溫燃燒火焰，是因?yàn)檫M(jìn)氣預(yù)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(dá)到著火溫度，從而出現(xiàn)了失火現(xiàn)象。在溫度達(dá)到410K時(shí)，，上止點(diǎn)處副燃燒室中心部位的溫度最高，達(dá)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(dá)到100°CA，此時(shí)混合氣還沒有著火，上止點(diǎn)后1°CA時(shí)，副燃燒室中心部位出現(xiàn)一個(gè)高溫區(qū)域，溫度達(dá)到2000K，說明此處應(yīng)該先著火。上止點(diǎn)后7°CA時(shí)，整個(gè)燃燒室都有高溫火焰。在進(jìn)氣溫度為420K時(shí)，上止點(diǎn)前3°CA，主燃燒室和副燃燒室的溫度都比較高，達(dá)到了1200K，但是在上止點(diǎn)前1°CA時(shí)，主燃燒室和副燃燒室?guī)缀跬瑫r(shí)著火，上止點(diǎn)后3°CA時(shí)，整個(gè)燃燒室都有火焰。所以，在進(jìn)氣道供氣模式下，進(jìn)氣溫度如果過低，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)失火現(xiàn)象。進(jìn)氣溫度越來越高，加劇了著火前的化學(xué)反應(yīng)過程，從而出現(xiàn)著火。由于副燃燒室的溫度相對(duì)較好，所以副燃燒室先著火。在進(jìn)氣溫度進(jìn)一步升高時(shí)，整個(gè)燃燒室都著火。

2 缸內(nèi)供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程研究

本文主要研究進(jìn)氣溫度、電熱塞溫度對(duì)壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響，缸內(nèi)供氣模式下模擬計(jì)算的邊界條件、初始條件以及運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

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

所以，在缸內(nèi)供氣模式時(shí)，電熱塞溫度和進(jìn)氣溫度都會(huì)對(duì)壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣溫度只會(huì)對(duì)著火時(shí)間造成影響，不會(huì)改變缸內(nèi)供氣模式下副燃燒室先著火的特點(diǎn)。

3 復(fù)合供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程研究

本文主要研究進(jìn)氣溫度對(duì)壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響，復(fù)合供氣模式下模擬計(jì)算的邊界條件、初始條件以及運(yùn)行參數(shù)如表2所示，計(jì)算通道采用圓形通道，直徑為8毫米。

表3 復(fù)合供氣模式下模擬計(jì)算的邊界條件、初始條件以及運(yùn)行參數(shù)

在復(fù)合供氣模式下，進(jìn)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(dòng)機(jī)的燃燒過程。將進(jìn)氣溫度提高到460K，著火時(shí)刻提前到上止點(diǎn)前4°CA，這是由于進(jìn)氣溫度的上升，加速了化學(xué)方應(yīng)速率，促使副燃燒室的混合氣可以更早著火。如果進(jìn)氣溫度只有430K，由于壓縮終了混合氣溫度達(dá)不到著火溫度，就會(huì)出現(xiàn)失火情況。當(dāng)進(jìn)氣溫度達(dá)到450K時(shí)，著火時(shí)刻就會(huì)發(fā)生在上止點(diǎn)附近，著火時(shí)間就更短。

4 結(jié)語

目前，壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用三種供氣模式，分別為單獨(dú)進(jìn)氣道供氣模式、單獨(dú)缸內(nèi)供氣模式以及缸內(nèi)供氣和進(jìn)氣道供氣結(jié)合的復(fù)合供氣模式，本文正是對(duì)不同供氣模式下壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程進(jìn)行模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，為有關(guān)研究人員提供參考。

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[2]鄭清平,張惠明,李方成.分隔室壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程變參數(shù)多維模擬計(jì)算[J].熱科學(xué)與技術(shù).2005(03):272-277.

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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?yàn)闊崮芘c動(dòng)力工程