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预燃室引燃主燃室富氢天然气发动机燃烧排放特性模拟研究

摘要

工业化进程的加快，使得化石燃料被大量消耗，温室气体排放与日俱增，造成了

严重的温室效应。为了有效控制温室气体排放以实现国际社会短期的脱碳目标，使用

天然气富氢作为内燃机的新型替代燃料是最优选择。本文针对大缸径主动式预燃室天

然气发动机开展了模拟计算，分析了不同运行参数和天然气富氢对发动机稀薄燃烧和

排放特性的影响，并对富氢后的预燃室结构参数进行了优化。主要的研究内容如下：

（1）结合相关参数构建了大缸径主动式预燃室天然气发动机三维仿真模型，并结

合实验数据对燃烧机理和模型进行了验证，研究了不同燃气喷射策略、主燃室过量空

气系数和点火正时等运行参数对发动机混合气形成以及燃烧和排放过程的影响。结果

表明，燃气喷射策略和主燃室过量空气系数对预燃室整体的混合气浓度分布影响较大，

但对火花塞处影响较小，且随着燃气喷射时刻的推迟，缸内的燃烧过程整体延后，发

动机的指示功率和热效率降低，NOx排放减少，HC、CO和总的CH4逃逸量增加，但

适度推迟100°CA对上述参数影响较小，而再继续推迟则影响较大；随着燃气喷射量

的增加，缸内的燃烧过程先加快后减慢，使得发动机的指示功率和热效率先升高后降

低，NOx排放变化趋势与之相同，而HC、CO和总的CH4逃逸量与之相反，同时相

比之下，燃气喷射时刻对发动机性能的影响要高于燃气喷射量；主燃室过量空气系数

的增加，对预燃室的混合气浓度及其燃烧过程影响较小，但会使主燃室的混合气浓度

降低，导致火焰传播速度下降，造成燃烧过程恶化，使得发动机的指示功率下降，HC、

CO和总的CH4逃逸量升高，NOx排放减少；点火正时的提前，会使整个燃烧过程提

前，循环等容度提高，导致缸内压力和温度升高，指示功率和热效率增加，NOx的排

放也增加，但HC、CO和总的CH4逃逸量明显减少。

（2）在维持上述运行参数不变的条件下，采用歧管喷氢的方式进行了不同体积富

氢比的发动机性能计算，并在最佳富氢比的基础上，研究了主燃室混合气浓度变化对

发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明，天然气富氢会对整个燃烧室的混合气浓度

分布产生影响，但对火花塞处影响较小，其中，在20%富氢比之前，预燃室和主燃室

的混合气浓度分布变化不明显，但在20%富氢比之后，其内的混合气浓度分布不均匀

性明显增加；富氢通过显著提高缸内H、OH等自由基浓度来提高燃烧室内稀薄混合

气的燃烧速度，并主要使预燃室和主燃室的后半段快速燃烧期显著缩短，从而加快整

个燃烧过程进行，进而使缸内压力和温度明显上升，峰值相位明显提前，最终使得发

I

哈尔滨工程大学硕士学位论文

动机的指示功率与燃烧效率提高，HC、CO和总的CH4逃逸量降低，但NOx排放和

主燃室的压力升高率增加，综合比较下，20%富氢比方案是最优的，再提高富氢比，

燃烧的促进效果不明显；富氢有利于改善稀薄燃烧条件下缸内的燃烧过程，且混合气

越稀薄，改善的效果越明显，尤其是超稀薄条件下，富氢极大减少了HC、CO和总的

CH4逃逸量，而仅略微增加NOx的排放。

（3）在20%富氢比的基础上，采用单因素变化方法对预燃室的关键结构参数进行

了优化研究。结果表明，预燃室喷孔直径适度增加0.5mm可以有效降低预燃室的压力

和温度以及主燃室的压力升高率，并使发动机性能提高，但过度增加或减少喷孔直径

均会导致性能恶化；在原机的基础上增加喷孔数目，会使缸内压力升高，指示功率和

热效率提升，HC、CO和总的CH4逃逸量降低，但会使NOx排放增加，同时过度增

加喷孔数目到8也会使压力升高率超出限值；喉部直径增加幅度在2mm范围时，可以

使预燃室的压力和温度显著降低，主燃室的压力升高率也会有所降低，这有利于降低

发动机的机械负荷和热负荷，但其会导致缸内的污染物排放小幅度增加。综合考虑预

燃室的压力和温度以及主燃室的压力升高率，富氢发动机最佳的预燃室参数是喷孔直

径5.5mm，喷孔数目6，喉部直径17mm。

本文主要研究了大缸径预燃室天然气发动机富氢的技术途径与优化方案，研究结

果可为其燃烧系统的开发和控制提供参考。

关键词：主动式预燃室；富氢天然气发动机；性能优化；数值模拟