氣體發動機預燃室的設計研究概述

趙程堂 高偉 黃渠威 王子赫 趙鎮

摘要：闡述了氣體發動機預燃室的作用，研究了預燃室的設計參數和設計要求，并對預燃室的研究況狀進行了歸納，以了解預燃室對氣體發動機的燃燒排放性能的影響，為以后預燃室的設計和優化提供理論方向。

關鍵詞：預燃室;氣體發動機;設計參數

1預燃室的作用

氣體燃料船用主機因其在有害排放物控制方面的明顯優勢，近年來在國外學術界和工業界得到高度重視，相關的研究和技術開發近十年來發展迅猛[1，2]。保證高可靠性是這種新型船用主機應用和推廣的最基本條件[3] 。由于氣體燃料船用主機的燃料系統及燃燒系統與現在普遍應用的直噴式船用柴油機截然不同，氣體燃料船用主機的可靠性問題也具有了相當大的特殊性。氣體燃料船用主機預燃室組件的可靠性問題就是這種特殊性的核心關鍵之一[4] 。為了實現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動機為船用主機，經常要采用預燃室結構，在預燃室內形成當量比混合氣或稍濃混合氣，在保證可靠點火的同時，提高主燃區點火能量，增大主燃室稀混合氣的火焰傳播速率，以提高主機的熱效率[5] 。因此，預燃室是決定氣體燃料船用主機性能和可靠性的核心部件。

2 預燃室的設計參數

預燃室作為影響燃燒過程的重要結構，預燃室設計的關鍵結構參數和布置參數主要包括：預燃室幾何形狀，容積，通孔的數量、直徑及長徑比等;布置參數主要包括預燃室（或通孔）數量、布置位置、通孔角度等參數。預燃室的通孔參數包括通孔直徑及長徑比。其中通孔直徑一般與預燃室大小直接相關。

3 預燃室的設計要求

預燃室的設計要求主要包括以下三個方面：第一，以促進多維火焰傳播速率為目的，即同時考慮增大火焰貫穿距和橫向火焰傳播速率速率，加大擾動實現湍流火焰快速傳播，加快燃燒放熱，提高熱效率;第二，盡量縮短火焰傳播距離，減小爆震發生的可能性;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 預燃室的研究狀況

預燃室系統對于改善天然氣發動機稀薄燃燒是一種非常理想的選擇，國內外針對預燃室系統對稀薄燃燒的作用做了大量研究：葉映等[6] 研究了一臺大型低速二沖程船用柴油機改裝的柴油-天然氣雙燃料發動機預燃室系統的布置方案對射流火焰發展過程的影響，以及由此對缸內流動、燃燒和有害污染物氮氧化物生成歷程的影響。結果表明：預燃室方案造成射流火焰對撞會對碰撞區域及周圍流場產生較大擾動，同時在碰撞區域形成富燃區，抑制該區域內NOx 的生成;射流火焰不碰撞則會增大其貫穿距離，實現更大空間范圍的多點著火，放熱更集中，同時會因較高的溫度使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顯著降低其流動速度和燃燒溫度，造成燃燒效率下降，缸內湍動能減小，在實際應用中應盡可能避免。李樹生等[7] 在對大缸徑天然氣發動機燃燒系統開發的過程中，設計了小容積預燃室加淺盆型主燃室的燃燒系統，之間通過8個直徑2mm的均勻布置的通道連接，針對2種角度的布置結構進行數值模擬及試驗分析。通過簡化的甲烷反應動力學模型模擬分析了主燃室內的燃燒過程。分析結果表明：大的連接通道夾角有利于加快燃燒室徑向的火焰傳播速度，但主燃室中心部位燃燒較慢;小夾角的方案則相反。單缸試驗機上的試驗也得到了相同的結果，并證明大夾角通道方案有較好的抗爆震性能和排放性能。王博遠等[8] 為分析預燃室式射流點火的燃燒過程，通過全燃燒場可視的快速壓縮機（RCM），采用同步壓力傳感和高速攝影方法，對單孔內置式預燃室進行了變工況試驗，并在相同條件下與傳統火花點火對比，結果表明：預燃室式射流點火能夠大幅促進點火，并加速燃燒.與傳統火花點火相比，預燃室式射流點火的滯燃期縮短比例可達40%，以上，且隨負荷增加而提高;明顯燃燒期比典型火焰傳播燃燒可縮短60%至70%。火花點火引起的火焰傳播速度與負荷無明顯關系，而射流火焰發展速度隨負荷增加而提高，各負荷下均為火焰傳播速度的15 倍以上，最高速度超過50，m/s，垂直于射流噴射方向的火焰發展也快于火焰傳播。射流火焰在主燃室內由近噴口處的細長火舌和遠端由火舌發展而成的類柱狀火焰組成。預燃室對其內部的初始火焰發展具有明顯促進作用，其內部的平均火焰發展速度高于傳統火花點火火焰傳播速度的2 倍。

5 結束語

預燃室的設計應根據燃料形式和主機結構進行預燃室的布置，預燃室參數應該根據具體機型做詳細的具體分析。雖然眾多研究人員對不同機型的預燃室已經進行了深入研究，但體現出的研究規律并不一致，預燃室的設計研究工作任重而道遠。

參考文獻：

[1] 馮立巖，李建寧，王偉堯等.氣體燃料船用主機預燃室組件瞬態溫度場分析[J].哈爾濱工程大學學報，2015，36（2）：156-160.

[2] FENG Liyan. Domestic development strategy of gas-fulled large marine main engine[J]. Diesel Engine，2011，33（5）：6-10.

[3] ROETHLISBERGER R P，FAVRAT D. Investigation of the prechamber geometrical configuration of a natural gas SI engine for cogeneration part II experimentation[J]. International Journal of Thermal Sciences，2003，42：239-253.

[4] SIMPSON D J，OLSEN D. Precombustion chamber design for emissions reduction from large bore NG engines[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132：122802-7.

[5] ZHU Jianguo，WIMMER A，SCHNEL E，et al. Parameterbased combustion model for large prechamber gas engines[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132：082806-6.

[6] 葉 映，董晶瑾，王滸等.預燃室火焰射流對雙燃料著火燃燒過程的模擬研究[J].內燃機工程，2018，39（2）：22-28.

[7] 李樹生，白書戰，邢小偉等.預燃室參數對大缸徑天然氣發動機燃燒過程影響的研究[J].內燃機工程，2012，33（6）：72-76.

[8] 王博遠，王 志，齊運亮等.基于快速壓縮機的預燃室式射流點火試驗[J].內燃機學報，2018，36（4）：297-304.

作者簡介：

趙程堂（1998.5—），男，漢，籍貫：遼寧大連人，研究方向：船用發動機的燃燒預測與排放控制。

基金項目：

本項目受“大連海洋大學大學生創新項目”資助，知識產權歸學校所有。

（作者單位：大連海洋大學 航海與船舶工程學院）