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船用预燃室式天然气发动机稀薄燃烧稳定性优化研究

摘要

随着排放法规的日益严格，稀薄燃烧成为船用天然气发动机控制排放的高效、低

成本的技术路线。为了解决发动机在稀薄燃烧条件下燃烧不稳定、循环变动增大的问

题，预燃室射流火焰点火应运而生。目前稀薄燃烧条件下发动机循环变动增大的核心

因素不明确导致后续的优化缺乏明确的指导方向，同时预燃室在低负荷下的换气能力

是限制发动机稀燃极限拓展的重要因素。另外，在预燃室射流火焰传播方面，需要建

立准确的湍流火焰速度模型和稀薄燃烧条件下火焰传播稳定性评估方法，以上问题的

解决对于改善天然气发动机稀薄燃烧条件下的燃烧稳定性，进而有效控制发动机排放

至关重要。

本文首先对发动机原机排放特性和稀薄燃烧条件下循环变动的影响因素进行探究，

掌握各影响因素与发动机循环变动之间的相关性。搭建了天然气发动机整机试验平台，

针对一台6缸火花点火天然气发动机，测量发动机原机排放及缸内压力和放热率曲线。

探究了不同稀薄燃烧程度下循环变动的影响因素，提出了基于非线性拟合的循环变动

影响因素分析方法，量化了累积放热量、燃烧相位、燃烧速度等参数的波动与循环变

动之间的相关性。结果表明，累积放热量波动与循环变动之间的相关性在10%以下，

而CA05、CA50的波动与循环变动的相关性分别在80%和90%以上。这表明CA05以

及CA50的波动是造成循环变动的根本原因。

在明确了造成循环变动的核心因素之后，认为保证火花塞附近流场一致性对于改

善循环变动至关重要，对预燃室结构进行优化，通过喷孔偏置使其内部产生稳定涡流

从而改善点火后火焰传播稳定性，同时在内部设置爪形电极以提高点火可靠性。由于

低负荷下的换气能力是限制被动式预燃室工作性能的重要因素，因此通过CFD仿真开

展低负荷下预燃室换气过程的研究。通过对不同区域进行划分并对其内部气体进行单

独定义，对换气过程中预燃室内部的气体组分来源进行了量化。探究了喷孔数量、孔

径以及预燃室底部开孔对换气过程的影响，结果表明，喷孔直径对预燃室内废气的排

出影响较大，随点火时刻的提前，小孔径预燃室内部新鲜充量所占比例恶化明显；在

预燃室底部开孔有利于内部新鲜充量的均匀分布，改善换气过程；喷孔孔径对预燃室

换气过程影响较小，喷孔数量过多会降低喷孔内流动速度。最终选择了喷孔孔径

1.2mm，水平方向4孔且带有底部开孔的预燃室进行后续的研究。

确定预燃室结构之后，开展了预燃室缸内燃烧的仿真工作，建立了新的湍流火焰

哈尔滨工程大学博士学位论文

速度模型，能够实现预燃室内外不同湍流积分尺度下火焰传播的准确模拟，缸压最大

值及对应曲柄转角的误差分别在2%和0.1°CA以下。针对被动式预燃室工作较为不利

的中低负荷以及稀薄燃烧条件下进行仿真，与原机工况条件进行对比，结果表明，在λ

为1.9时，预燃室内部会出现点火不稳定的现象，但是多电极点火保证了整体的点火稳

定性。同时预燃室内部的稳定涡流保证了点火后火焰传播的一致性，降低了循环变动。

预燃室射流火焰进入主燃烧室后使得缸内的燃烧过程明显加快。以上因素均有利于发

动机实现稳定的稀薄燃烧。在射流火焰稳定性评估方面，基于火焰前锋面的湍流和热

化学数据，提出了使用Borghi-Peter图和卡洛维茨数量化评估射流火焰传播稳定性，实

现了稀薄燃烧条件下射流火焰传播稳定性的准确评估，验证了预燃室结构在稀薄燃烧

条件下工作的可靠性。

最后在整机试验台探究预燃室应用对缸内燃烧和发动机性能的影响，同时针对不

同点火时刻探究预燃室应用对发动机稀燃极限的拓展以及发动机的排放情况。结果表

明，预燃室的应用能明显提高缸内的燃烧速度，在25%、50%、75%负荷下实现了λ为

1.9、1.8、1.8的稳定燃烧。通过优化，发动机的整机NOx排放最低可达1.47g/kWh，

同时在λ=1.7时，发动机的热效率可达到最高，通过调整点火时刻，在25%、50%、

75%、100%负荷下热效率可达37.1%、37.05%、37.31%、38.1%，相比原机分别提高

3.3%、1.45%、0.41%和0.9%，此时发动机NOx排放为4.66g/kWh，满足排放法规的要

求。

通过本文的研究，掌握了导致发动机循环变动的核心因素并设计了被动式预燃室，

实现了发动机射流火