气体发动机预燃室的设计研究概述

赵程堂 高伟 黄渠威 王子赫 赵镇

摘要：阐述了气体发动机预燃室的作用，研究了预燃室的设计参数和设计要求，并对预燃室的研究况状进行了归纳，以了解预燃室对气体发动机的燃烧排放性能的影响，为以后预燃室的设计和优化提供理论方向。

关键词：预燃室;气体发动机;设计参数

1预燃室的作用

气体燃料船用主机因其在有害排放物控制方面的明显优势，近年来在国外学术界和工业界得到高度重视，相关的研究和技术开发近十年来发展迅猛[1，2]。保证高可靠性是这种新型船用主机应用和推广的最基本条件[3] 。由于气体燃料船用主机的燃料系统及燃烧系统与现在普遍应用的直喷式船用柴油机截然不同，气体燃料船用主机的可靠性问题也具有了相当大的特殊性。气体燃料船用主机预燃室组件的可靠性问题就是这种特殊性的核心关键之一[4] 。为了实现气体燃料的高效稀燃并避免爆震燃烧，采用柴油微引燃天然气的双燃料发动机为船用主机，经常要采用预燃室结构，在预燃室内形成当量比混合气或稍浓混合气，在保证可靠点火的同时，提高主燃区点火能量，增大主燃室稀混合气的火焰传播速率，以提高主机的热效率[5] 。因此，預燃室是决定气体燃料船用主机性能和可靠性的核心部件。

2 预燃室的设计参数

预燃室作为影响燃烧过程的重要结构，预燃室设计的关键结构参数和布置参数主要包括：预燃室几何形状，容积，通孔的数量、直径及长径比等;布置参数主要包括预燃室（或通孔）数量、布置位置、通孔角度等参数。预燃室的通孔参数包括通孔直径及长径比。其中通孔直径一般与预燃室大小直接相关。

3 预燃室的设计要求

预燃室的设计要求主要包括以下三个方面：第一，以促进多维火焰传播速率为目的，即同时考虑增大火焰贯穿距和横向火焰传播速率速率，加大扰动实现湍流火焰快速传播，加快燃烧放热，提高热效率;第二，尽量缩短火焰传播距离，减小爆震发生的可能性;第三，尽量避免射流贯穿火焰和壁面、缸盖、活塞顶面等表面的接触。

4 预燃室的研究状况

预燃室系统对于改善天然气发动机稀薄燃烧是一种非常理想的选择，国内外针对预燃室系统对稀薄燃烧的作用做了大量研究：叶映等[6] 研究了一台大型低速二冲程船用柴油机改装的柴油-天然气双燃料发动机预燃室系统的布置方案对射流火焰发展过程的影响，以及由此对缸内流动、燃烧和有害污染物氮氧化物生成历程的影响。结果表明：预燃室方案造成射流火焰对撞会对碰撞区域及周围流场产生较大扰动，同时在碰撞区域形成富燃区，抑制该区域内NOx 的生成;射流火焰不碰撞则会增大其贯穿距离，实现更大空间范围的多点着火，放热更集中，同时会因较高的温度使NOx 排放上升;此外射流火焰与缸盖、活塞和缸套等壁面接触会显著降低其流动速度和燃烧温度，造成燃烧效率下降，缸内湍动能减小，在实际应用中应尽可能避免。李树生等[7] 在对大缸径天然气发动机燃烧系统开发的过程中，设计了小容积预燃室加浅盆型主燃室的燃烧系统，之间通过8个直径2mm的均匀布置的通道连接，针对2种角度的布置结构进行数值模拟及试验分析。通过简化的甲烷反应动力学模型模拟分析了主燃室内的燃烧过程。分析结果表明：大的连接通道夹角有利于加快燃烧室径向的火焰传播速度，但主燃室中心部位燃烧较慢;小夹角的方案则相反。单缸试验机上的试验也得到了相同的结果，并证明大夹角通道方案有较好的抗爆震性能和排放性能。王博远等[8] 为分析预燃室式射流点火的燃烧过程，通过全燃烧场可视的快速压缩机（RCM），采用同步压力传感和高速摄影方法，对单孔内置式预燃室进行了变工况试验，并在相同条件下与传统火花点火对比，结果表明：预燃室式射流点火能够大幅促进点火，并加速燃烧.与传统火花点火相比，预燃室式射流点火的滞燃期缩短比例可达40%，以上，且随负荷增加而提高;明显燃烧期比典型火焰传播燃烧可缩短60%至70%。火花点火引起的火焰传播速度与负荷无明显关系，而射流火焰发展速度随负荷增加而提高，各负荷下均为火焰传播速度的15 倍以上，最高速度超过50，m/s，垂直于射流喷射方向的火焰发展也快于火焰传播。射流火焰在主燃室内由近喷口处的细长火舌和远端由火舌发展而成的类柱状火焰组成。预燃室对其内部的初始火焰发展具有明显促进作用，其内部的平均火焰发展速度高于传统火花点火火焰传播速度的2 倍。

5 结束语

预燃室的设计应根据燃料形式和主机结构进行预燃室的布置，预燃室参数应该根据具体机型做详细的具体分析。虽然众多研究人员对不同机型的预燃室已经进行了深入研究，但体现出的研究规律并不一致，预燃室的设计研究工作任重而道远。

参考文献：

[1] 冯立岩，李建宁，王伟尧等.气体燃料船用主机预燃室组件瞬态温度场分析[J].哈尔滨工程大学学报，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] 叶 映，董晶瑾，王浒等.预燃室火焰射流对双燃料着火燃烧过程的模拟研究[J].内燃机工程，2018，39（2）：22-28.

[7] 李树生，白书战，邢小伟等.预燃室参数对大缸径天然气发动机燃烧过程影响的研究[J].内燃机工程，2012，33（6）：72-76.

[8] 王博远，王 志，齐运亮等.基于快速压缩机的预燃室式射流点火试验[J].内燃机学报，2018，36（4）：297-304.

作者简介：

赵程堂（1998.5—），男，汉，籍贯：辽宁大连人，研究方向：船用发动机的燃烧预测与排放控制。

基金项目：

本项目受“大连海洋大学大学生创新项目”资助，知识产权归学校所有。

（作者单位：大连海洋大学 航海与船舶工程学院）