控制缸内湍流流动改善稀燃天然气发动机燃烧

揭示稀燃天然气发动机缸内湍流流动对燃烧过程的作用机理，提出能够实现其高效清洁燃烧的理想湍流流动模式。利用试验和模拟计算手段，研究缸内湍流流动的演变过程，围绕缸内湍流场分布以及平均湍流动能的变化规律，给出缸内湍流流动模式的定义及评价参数；确定敏感燃烧边界，如配气相位、燃烧室几何形状等，对发动机缸内湍流流动的影响规律；确定不同湍流流动模式所对应燃烧边界条件的取值范围及定量关系；分析湍流流动在发动机各个燃烧阶段（着火延迟期、明显燃烧期和补燃期）的作用机理，提出有利于加快燃烧速度、减小燃烧循环变动的理想湍流流动模式。本研究项目可为高效清洁稀燃天然气发动机的燃烧过程组织，提供理论指导。

如何实现天然气发动机的高效清洁快速燃烧问题一直是制约天然气发动机成功应用的关键问题。本研究项目利用试验和模拟计算手段，研究了缸内湍流流动的演变过程，围绕缸内湍流场分布以及平均湍流动能的变化规律，给出了缸内湍流流动模式的定义及评价参数；确定了敏感燃烧边界，如燃烧室几何形状、天然气喷嘴几何参数等；揭示天然气发动机缸内湍流流动对燃烧过程的作用机理，提出了能够实现其高效清洁燃烧的理想湍流流动模式。.为了改善天然气发动机存在的火焰传播速度慢的问题，以CA6SE3-21E4N型天然气发动机为对象，开展了改善缸内流动状态、优化燃烧的研究。通过模拟计算明确了发动机由进气行程到膨胀行程的缸内流体运动状态，揭示了造成燃烧速度慢的主要原因为缸内流动分布，提出了基于异形燃烧室改善流动的方案，仿真和试验结果表明异形燃烧室能够很好的重组缸内流动分布，促进燃烧。研究结果表明：在压缩行程后期，缸内湍流动能的增加能有效促进火焰传播，使燃烧完全。对比模拟结果发现，通过异形燃烧室重组后的缸内流体运动状态，使压缩后期缸内平均湍动能峰值较原机提高了43.9%，燃烧持续期平均缩短19.2%，HC和CO排放降低，NOx排放增加；燃油经济性平均提高4.3%。.缸内湍动能强度是影响燃烧过程的一个重要因素，同样缸内湍流流场分布规律对燃烧过程的影响也较为明显。喷气过程虽然对湍流强度影响不大，但是其对缸内湍流流场分布影响较为明显。通过合理设计天然气喷嘴位置，可以在同等湍流强度下优化缸内流场分布，数值模拟结果很好的证明了此想法，实验结果表明该方法可以使发动机经济性提高近5%。.为了使天然气发动机在采用机内净化措施的情况下大幅度降低NOx排放，满足未来的排放法规，试验研究了三种稀释方式（空气稀释、当量燃烧＋EGR稀释、空气与EGR双重稀释）对稀燃天然气发动机控制NOx排放潜力的影响，并考察了燃烧边界条件的改变对发动机燃烧及排放性能的影响。研究结果表明：通过燃烧边界条件优化，三种稀释方式均能使发动机NOx排放满足国－Ⅳ及国－Ⅴ排放标准，在同等NOx排放前提下，对其经济性而言，双重稀释方式优于空气稀释方式，空气稀释方式优于当量燃烧＋EGR稀释方式。