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天然气发动机燃烧室形状的优化设计

王斌，赵辉

（上海交通大学，上海200240）

摘要近年来，以直喷微量柴油的方式引燃天然气实现稀薄燃烧，是高效低污染燃烧模式在船舶动

力和发电机组等应用领域的研究热点。这种燃烧方式可以显著提高天然气的利用效率，实现无碳烟、

超低氮氧化物（NOx）排放的清洁燃烧。然而，较高的CO、THC（主要是甲烷）排放以及高效率区域的

燃烧稳定性控制等难题亟待解决。本文通过计算流体动力学（CFD）与详细化学反应机理的耦合，建立

柴油喷射微引燃天然气发动机的仿真模型。利用实验数据标定仿真模型使之准确后，通过喷油与燃烧

室优化匹配的策略探索控制CO与HC排放，减少传热损失以提高热效率，为发动机燃烧系统设计与优

化提供理论基础。研究结果表明：通过多目标优化得到的Deep型燃烧室可以有效降低HC和CO排放，

同时提高发动机的热效率，并保持NOx不会出现恶化现象。

关键词天然气；微引燃；数值模拟；燃烧室优化

0前言

船舶领域中大量使用柴油机作为动力源[1]。国际海事组织（InternationalMaritime

Organization，简称IMO）先后推出了IMOTier系列排放法规，不断强化对船用柴油机

尾气（特别是氮氧化物(NOx)和碳烟(Soot)）排放的控制[2]。因此，寻求更为清洁的船用

柴油机代用燃料和更为高效清洁的燃烧方式，已经成为当今内燃机和燃烧学界的研究热

点之一。

近年来，全球对于天然气的开采量不断攀升，成为继煤和石油之后世界第三大石化

能源，有望成为21世纪的主导能源之一[3-5]。天然气的主要成分为甲烷(CH4)。与传统汽、

柴油相比，天然气的氢、碳原子比高，燃烧时排放的二氧化碳(CO2)少；天然气抗爆性好，

发动机可以采用更大的压缩比以提高燃烧效率；天然气的可燃混合气着火界限宽，更加

适合采用稀薄燃烧技术提高发动机的热效率。

国内外对于天然气发动机的研发已经开展了大量卓有成效的工作。目前，应用较多

的是在汽油机的基础上，保持原有供油系统不变，增加一套压缩天然气的供给装置。这

种改制方式较为简单，与原汽油机相比具有明显的价格与排放优势，主要在出租车行业

有较为广泛的应用[6-7]。但这种汽油-天然气两用燃料发动机基于原机设计方案，诸如压

缩比、进排气道、燃烧室型式及点火系统，都没有针对性的优化调整与设计[8]。因此，

两用燃料发动机并没有充分发挥天然气的燃料优势，动力性能下降明显[9]。

因此，基于压燃式发动机的本体结构和双燃料工作方式，将微量柴油喷入缸内引燃

稀薄天然气，称之为柴油微引燃天然气发动机。日本三菱重工采用了预燃室引燃方式，

即在预燃室内喷入约为发动机投入总热量1%的微量柴油，利用柴油的自着火来点燃副

室中天然气可燃预混合气，产生的火焰进而喷入主燃烧室内点燃天然气的稀薄预混合气

[10]。引燃用柴油虽然量少，但其释放的热量约为火花塞点火能量的数千倍，可以实现更

为稳定的着火源。日本三井造船开发了直喷微引燃技术，并成功应用在其MD-G系列燃

气发动机上。与预燃室微引燃方式相比，直喷微引燃发动机燃烧室结构更为简单，起动

更为迅速[11]。

柴油微引燃天然气发动机可以有效降低NOx和Soot排放，但同时会产生较高的未

燃碳氢(THC)和一氧化碳(CO)排放[12-16]。Ishiyama等人研究了柴油喷射时刻对微引燃天

然气发动机排放性能的影响[17]。研究结果表明：-20°至-10°CAATDC的柴油喷射时刻

将有利于减少发动机的HC排放；而较早的柴油喷射时刻（-35°CAATDC）有利于减少

NOx排放，但会增加HC的排放。Tomita等人研究了废气再循环（ExhaustGasRecirculation,

EGR）和进气增压对于柴油-甲烷双燃料发动机燃烧与排放特性的影响[18-19]。研究发现：

增加柴油引燃喷射量会导致NOx排放的上升。此外，通过提高进气压力来降低甲烷当量

比，有利于减少NOx排放，但是会引发HC和CO的增加，从而导致热效率降低。增加

EGR率可以有效降低NOx排放和缸内压力升高率，同时HC和CO也可以维持相对较低

的水平。但是当EGR率过大时，会对发动机的热效率产生严重影响从而增加HC和CO

的排放量。上述研究大都通过在原柴油机基础上增加天然气供气系统进行实验，分析了

柴油微引燃天然气发动机的燃烧放热规律和HC/CO的排放特性。然而，当主燃料为天

然气时，原机针对柴油喷雾燃烧优化设计的燃烧室是否仍为最优设计，相关研究鲜有报

道。

本文将实验测试与数值模拟相结合，基于CFD软件与详细化学反应机理的联合仿真

建模，通过柴油喷雾测试数据和发动