氣體發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室的設(shè)計(jì)研究概述

趙程堂 高偉 黃渠威 王子赫 趙鎮(zhèn)

摘要：闡述了氣體發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室的作用，研究了預(yù)燃室的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，并對(duì)預(yù)燃室的研究況狀進(jìn)行了歸納，以了解預(yù)燃室對(duì)氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒排放性能的影響，為以后預(yù)燃室的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論方向。

關(guān)鍵詞：預(yù)燃室;氣體發(fā)動(dòng)機(jī);設(shè)計(jì)參數(shù)

1預(yù)燃室的作用

氣體燃料船用主機(jī)因其在有害排放物控制方面的明顯優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在國(guó)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到高度重視，相關(guān)的研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)近十年來(lái)發(fā)展迅猛[1，2]。保證高可靠性是這種新型船用主機(jī)應(yīng)用和推廣的最基本條件[3] 。由于氣體燃料船用主機(jī)的燃料系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)與現(xiàn)在普遍應(yīng)用的直噴式船用柴油機(jī)截然不同，氣體燃料船用主機(jī)的可靠性問(wèn)題也具有了相當(dāng)大的特殊性。氣體燃料船用主機(jī)預(yù)燃室組件的可靠性問(wèn)題就是這種特殊性的核心關(guān)鍵之一[4] 。為了實(shí)現(xiàn)氣體燃料的高效稀燃并避免爆震燃燒，采用柴油微引燃天然氣的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為船用主機(jī)，經(jīng)常要采用預(yù)燃室結(jié)構(gòu)，在預(yù)燃室內(nèi)形成當(dāng)量比混合氣或稍濃混合氣，在保證可靠點(diǎn)火的同時(shí)，提高主燃區(qū)點(diǎn)火能量，增大主燃室稀混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俾剩蕴岣咧鳈C(jī)的熱效率[5] 。因此，預(yù)燃室是決定氣體燃料船用主機(jī)性能和可靠性的核心部件。

2 預(yù)燃室的設(shè)計(jì)參數(shù)

預(yù)燃室作為影響燃燒過(guò)程的重要結(jié)構(gòu)，預(yù)燃室設(shè)計(jì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置參數(shù)主要包括：預(yù)燃室?guī)缀涡螤睿莘e，通孔的數(shù)量、直徑及長(zhǎng)徑比等;布置參數(shù)主要包括預(yù)燃室（或通孔）數(shù)量、布置位置、通孔角度等參數(shù)。預(yù)燃室的通孔參數(shù)包括通孔直徑及長(zhǎng)徑比。其中通孔直徑一般與預(yù)燃室大小直接相關(guān)。

3 預(yù)燃室的設(shè)計(jì)要求

預(yù)燃室的設(shè)計(jì)要求主要包括以下三個(gè)方面：第一，以促進(jìn)多維火焰?zhèn)鞑ニ俾蕿槟康模赐瑫r(shí)考慮增大火焰貫穿距和橫向火焰?zhèn)鞑ニ俾仕俾?，加大擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)湍流火焰快速傳播，加快燃燒放熱，提高熱效率;第二，盡量縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，減小爆震發(fā)生的可能性;第三，盡量避免射流貫穿火焰和壁面、缸蓋、活塞頂面等表面的接觸。

4 預(yù)燃室的研究狀況

預(yù)燃室系統(tǒng)對(duì)于改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒是一種非常理想的選擇，國(guó)內(nèi)外針對(duì)預(yù)燃室系統(tǒng)對(duì)稀薄燃燒的作用做了大量研究：葉映等[6] 研究了一臺(tái)大型低速二沖程船用柴油機(jī)改裝的柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室系統(tǒng)的布置方案對(duì)射流火焰發(fā)展過(guò)程的影響，以及由此對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)、燃燒和有害污染物氮氧化物生成歷程的影響。結(jié)果表明：預(yù)燃室方案造成射流火焰對(duì)撞會(huì)對(duì)碰撞區(qū)域及周圍流場(chǎng)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，同時(shí)在碰撞區(qū)域形成富燃區(qū)，抑制該區(qū)域內(nèi)NOx 的生成;射流火焰不碰撞則會(huì)增大其貫穿距離，實(shí)現(xiàn)更大空間范圍的多點(diǎn)著火，放熱更集中，同時(shí)會(huì)因較高的溫度使NOx 排放上升;此外射流火焰與缸蓋、活塞和缸套等壁面接觸會(huì)顯著降低其流動(dòng)速度和燃燒溫度，造成燃燒效率下降，缸內(nèi)湍動(dòng)能減小，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡可能避免。李樹(shù)生等[7] 在對(duì)大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)了小容積預(yù)燃室加淺盆型主燃室的燃燒系統(tǒng)，之間通過(guò)8個(gè)直徑2mm的均勻布置的通道連接，針對(duì)2種角度的布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬及試驗(yàn)分析。通過(guò)簡(jiǎn)化的甲烷反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型模擬分析了主燃室內(nèi)的燃燒過(guò)程。分析結(jié)果表明：大的連接通道夾角有利于加快燃燒室徑向的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但主燃室中心部位燃燒較慢;小夾角的方案則相反。單缸試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)也得到了相同的結(jié)果，并證明大夾角通道方案有較好的抗爆震性能和排放性能。王博遠(yuǎn)等[8] 為分析預(yù)燃室式射流點(diǎn)火的燃燒過(guò)程，通過(guò)全燃燒場(chǎng)可視的快速壓縮機(jī)（RCM），采用同步壓力傳感和高速攝影方法，對(duì)單孔內(nèi)置式預(yù)燃室進(jìn)行了變工況試驗(yàn)，并在相同條件下與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火對(duì)比，結(jié)果表明：預(yù)燃室式射流點(diǎn)火能夠大幅促進(jìn)點(diǎn)火，并加速燃燒.與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火相比，預(yù)燃室式射流點(diǎn)火的滯燃期縮短比例可達(dá)40%，以上，且隨負(fù)荷增加而提高;明顯燃燒期比典型火焰?zhèn)鞑ト紵煽s短60%至70%?；鸹c(diǎn)火引起的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c負(fù)荷無(wú)明顯關(guān)系，而射流火焰發(fā)展速度隨負(fù)荷增加而提高，各負(fù)荷下均為火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?5 倍以上，最高速度超過(guò)50，m/s，垂直于射流噴射方向的火焰發(fā)展也快于火焰?zhèn)鞑?。射流火焰在主燃室?nèi)由近噴口處的細(xì)長(zhǎng)火舌和遠(yuǎn)端由火舌發(fā)展而成的類柱狀火焰組成。預(yù)燃室對(duì)其內(nèi)部的初始火焰發(fā)展具有明顯促進(jìn)作用，其內(nèi)部的平均火焰發(fā)展速度高于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊? 倍。

5 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)燃室的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)燃料形式和主機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)燃室的布置，預(yù)燃室參數(shù)應(yīng)該根據(jù)具體機(jī)型做詳細(xì)的具體分析。雖然眾多研究人員對(duì)不同機(jī)型的預(yù)燃室已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，但體現(xiàn)出的研究規(guī)律并不一致，預(yù)燃室的設(shè)計(jì)研究工作任重而道遠(yuǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

趙程堂（1998.5—），男，漢，籍貫：遼寧大連人，研究方向：船用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒預(yù)測(cè)與排放控制。

基金項(xiàng)目：

本項(xiàng)目受“大連海洋大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目”資助，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸學(xué)校所有。

（作者單位：大連海洋大學(xué) 航海與船舶工程學(xué)院）