控制缸內湍流流動改善稀燃天然氣發動機燃燒

《控制缸內湍流流動改善稀燃天然氣發動機燃燒》是依託吉林大學，由王忠恕擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：控制缸內湍流流動改善稀燃天然氣發動機燃燒
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王忠恕
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

揭示稀燃天然氣發動機缸內湍流流動對燃燒過程的作用機理，提出能夠實現其高效清潔燃燒的理想湍流流動模式。利用試驗和模擬計算手段，研究缸內湍流流動的演變過程，圍繞缸內湍流場分布以及平均湍流動能的變化規律，給出缸內湍流流動模式的定義及評價參數；確定敏感燃燒邊界，如配氣相位、燃燒室幾何形狀等，對發動機缸內湍流流動的影響規律；確定不同湍流流動模式所對應燃燒邊界條件的取值範圍及定量關係；分析湍流流動在發動機各個燃燒階段（著火延遲期、明顯燃燒期和補燃期）的作用機理，提出有利於加快燃燒速度、減小燃燒循環變動的理想湍流流動模式。本研究項目可為高效清潔稀燃天然氣發動機的燃燒過程組織，提供理論指導。

結題摘要

如何實現天然氣發動機的高效清潔快速燃燒問題一直是制約天然氣發動機成功套用的關鍵問題。本研究項目利用試驗和模擬計算手段，研究了缸內湍流流動的演變過程，圍繞缸內湍流場分布以及平均湍流動能的變化規律，給出了缸內湍流流動模式的定義及評價參數；確定了敏感燃燒邊界，如燃燒室幾何形狀、天然氣噴嘴幾何參數等；揭示天然氣發動機缸內湍流流動對燃燒過程的作用機理，提出了能夠實現其高效清潔燃燒的理想湍流流動模式。 為了改善天然氣發動機存在的火焰傳播速度慢的問題，以CA6SE3-21E4N型天然氣發動機為對象，開展了改善缸內流動狀態、最佳化燃燒的研究。通過模擬計算明確了發動機由進氣行程到膨脹行程的缸內流體運動狀態，揭示了造成燃燒速度慢的主要原因為缸內流動分布，提出了基於異形燃燒室改善流動的方案，仿真和試驗結果表明異形燃燒室能夠很好的重組缸內流動分布，促進燃燒。研究結果表明：在壓縮行程後期，缸內湍流動能的增加能有效促進火焰傳播，使燃燒完全。對比模擬結果發現，通過異形燃燒室重組後的缸內流體運動狀態，使壓縮後期缸內平均湍動能峰值較原機提高了43.9%，燃燒持續期平均縮短19.2%，HC和CO排放降低，NOx排放增加；燃油經濟性平均提高4.3%。 缸內湍動能強度是影響燃燒過程的一個重要因素，同樣缸內湍流流場分布規律對燃燒過程的影響也較為明顯。噴氣過程雖然對湍流強度影響不大，但是其對缸內湍流流場分布影響較為明顯。通過合理設計天然氣噴嘴位置，可以在同等湍流強度下最佳化缸內流場分布，數值模擬結果很好的證明了此想法，實驗結果表明該方法可以使發動機經濟性提高近5%。 為了使天然氣發動機在採用機內淨化措施的情況下大幅度降低NOx排放，滿足未來的排放法規，試驗研究了三種稀釋方式（空氣稀釋、當量燃燒＋EGR稀釋、空氣與EGR雙重稀釋）對稀燃天然氣發動機控制NOx排放潛力的影響，並考察了燃燒邊界條件的改變對發動機燃燒及排放性能的影響。研究結果表明：通過燃燒邊界條件最佳化，三種稀釋方式均能使發動機NOx排放滿足國－Ⅳ及國－Ⅴ排放標準，在同等NOx排放前提下，對其經濟性而言，雙重稀釋方式優於空氣稀釋方式，空氣稀釋方式優於當量燃燒＋EGR稀釋方式。