关键词：大缸径；燃气发动机燃烧系统；开发
引言
由于环保以及经济原因，大缸径燃气发动机，尤其是中速机正在引起越来越多的关注。除了发电用途外，这种发动机也在海运和铁路运输领域发挥了很大的作用。除了必须满足严格的排放法规外，发动机可达到的燃料经济性水平也是客户考虑的关键因素。
1燃烧概念
目前市场上针对燃气发动机存在几种不同的燃烧概念。本节的讨论重点是稀薄燃烧原理，同时对不同的燃烧概念进行评估。带火花点火的开式燃烧(OCSI)可提供最简单因而也是成本极具竞争力的解决方案。进入燃烧室内的混合物通过火花塞点燃，从点火位置出现球状火焰传播过程。因此，活塞碗的设计能够支持自由火焰传播，优化充量运动(例如通过适当涡流和挤流来达到高的湍流强度，从而提高火焰传播速度)，从燃烧的观点来看这是关键的优化因素。另一方面，随着空燃比的提高，点火稳定性明显恶化。因此，这种燃烧概念的难点是保证点火和燃烧的高可靠性。为克服这一困难，一些带OCSI的燃气发动机采用了所谓的预燃室式火花点火装置，其在火花塞顶部设有一个小燃烧室。在压缩行程中，燃烧室内的空气燃料混合物挤入小燃烧室中。点火后，燃烧的混合物被从小燃烧室压出，并点燃在燃烧室内的混合气。采用预燃室式火花点火装置能够在靠近火花塞处获得更高的温度和更高的湍流水平，同时减轻了主燃烧室充量运动造成的影响，从而提高了点火稳定性。而且，来自小燃烧室的燃烧混合气为主燃烧室提供了更强的点火源，因此提高了燃烧稳定性。此外，与传统火花塞相比，火焰核更强的点火源能够获得更快的燃烧速度以及更高的制动热效率(BTE)。OCSI的燃烧概念主要应用于气缸排量小于6L的发动机。在大缸径发动机上应用这一概念难度较大，这是因为火焰传播距离增大会延长燃烧持续期，因而不利于获得较高的BTE，且恶化了抗爆震性能。带微引燃喷射的开式燃烧(OCMP)用液态燃料喷射器取代了OCSI燃烧概念中的火花塞。OC-MP采用与OCSI相似的燃烧方式，因此也面临相似的挑战。液态燃料燃烧能够提供更强的点火源，从而获得稍快的燃烧速度。这一燃烧概念主要应用于双燃料发动机中的燃气模式。将OCMP用作纯燃气发动机的应用是有限的，主要是因为对气体供给系统和液态燃料喷射系统的需求增大了系统的复杂性。带火花点火的预燃室式燃烧(PCSI)概念包括一个主燃烧室、一个预燃室、一个独立的向预燃室供气的系统和一个火花塞。压缩行程喷入预燃室的混合气与直接送至预燃室的附加气体一同提供更浓的接近理论配比的混合气，从而保证了强劲而稳定的点火。点火后，被压送出预燃室的燃烧混合物会在主燃烧室的宽阔区域提供很强的点火源，从而促成快速燃烧。由于主燃烧室内点火稳定、点火源强劲，因此采用PCSI概念能够在主燃烧室内燃烧非常稀薄的混合气，从而改善有效热效率－氮氧化物的权衡关系。该燃烧概念面临的挑战是，系统的复杂性增大，同时需要投入更大的精力来优化燃烧过程。合适的燃烧室几何形状以及预燃室内混合气的形成可保证预燃室内强劲而稳定的燃烧;活塞碗的优化则可保证由预燃室喷出的火焰喷束有足够的自由穿透距离，并保证其他的火焰传播不受干扰。两者均为燃烧室发展过程中的决定性优化因素。
2料控制系统检查分析
（1）燃料组分变化，燃料低热值不合适在发动机调试过程中，燃料低热值的设定会影响空燃比。控制系统将低的燃气量称为理论燃气，实际燃气热值是固定不变的。这项参数是根据初级燃料的低热值而设定的，其不准确性由控制系统中的燃料比来补偿。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当燃料修正系数超出范围的±10%，系统会自动生成一个事件代码，提示需要重新修改此项值。措施：通过软件分析计算气体热值，可以准确的设定此项参数。在发动机运行过程中，观察燃气修正系数和气缸燃烧时间的变化来确定是否需要调整燃气量设定值（低热值）。必要时进行气体组成分析和排放尾气检测来判断燃气量设定值准确性。（2）燃料气控制系统的各促动器调节参数设置不合适通过确定一个恒定合适的空燃比后，控制系统通过燃气体积和燃气热值来决定空气的量。通过测量燃料歧管和进气歧管之间的压力差、气缸中燃气的温度、发动机转速来计算燃烧所消耗的燃气体积。调节系统通过控制废气门和空气阻风门的位置调节进入空气量，控制合适的空燃比。因而要使发动机期望转速与实际转速一致，就需要通过控制系统对排气旁路（废气门）、空气阻风门、调速器的增长、稳定和补偿率进行设定从而使其达到稳定的调节状态。控制参数设置方法如下：①增大补偿值直至发动机出现周期性的不稳定，然后，缓慢减小补偿值，直到发动机工作状况达到一定的稳定性。②稳定值调整直接影响燃气促动器的阻尼，为了保持发动机稳定运转，调整稳定值直至控制系统理论工况和实际工况的误差的速率最小。③增益值的调整直接影响燃气促动器的反应速率。增益值增加过多可能增大不稳定性。设置增益值时，增加增益值直到促动器变得不稳定，反之缓慢减小增益值是为了使促动器稳定下来。如果发动机工作状况不稳定，重复1-3步骤，同时调整增益值和稳定值直至发动机对负荷和转速的响应处于最佳状态。
3开发步骤
相对于开放式燃烧室(非分离燃烧室)，预燃室的设计理念可实现对整个燃烧过程更有效地控制，这种有效控制既可以通过结构设计实现，也可以通过运行模式来实现。因此，需要一个特定的燃烧系统布局，其可分为两个主要步骤来进行:第一步主要是确定预燃室容积和喷孔横截面。两者都主要取决于发动机尺寸和预先设定的运行模式。与使用理论配比混合物的预燃室相比，空气过量时预燃室(稀薄燃烧预燃室)需要更大的容积，因为需要补偿预燃室中降低的能量密度。在某种程度上，选择喷孔横截面时必须保证在预燃室燃烧期间，预燃室与主燃室的压比足够高。压比太高会导致高热负荷，使传热量和流量损失增大;另一方面，预燃室压力水平过低将延长预燃室充量的燃烧持续时间，引起可能的循环变化，并显著减少向主燃室的湍流传递速度。第二步是对预燃室进行微调。此步骤中，主燃烧室燃烧的关键特征可以通过喷孔适当的定向进行模拟。分别调节燃烧速度和速度梯度来使燃烧中心满足要求，从而改变爆震灵敏度。第一步所需的特征数可以通过零维仿真工具来确定，该软件相对比较省力且具有足够的精度。然而，到目前为止，喷孔结构的微调需要更多精力，而且通常是通过复杂的试验来优化的。为了扩展仿真工具的应用来了解和模拟这些复杂过程的交互影响，FEV和VKA开发了名为CMD(充量运动设计)的仿真方法，CMD仿真方法将在下一节详细描述。
结语
带预燃室扫气功能的单缸天然气发动机基础上，FEV开发出一种有效的燃烧系统。大约16L气缸排量对于多种应用(如固定发电和船舶应用)是有效且极具吸引力的。为了减少在发动机试验台上进行试验的硬件(预燃室设计)数量，利用FEV的模拟工具链CMD(充量运动设计)进行了项目扩展和引导。该过程考虑了燃烧对气缸变化湍流的复杂依赖性。通过将其与测量值进行比较来确认仿真的准确性。CMD方法的使用大大减少了研发的时间和精力，为我们提供整体有效的开发路径。
参考文献
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论文作者:金达志
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期
论文发表时间:2020/4/28
标签：发动机论文; 燃烧室论文; 燃气论文; 燃料论文; 热值论文; 概念论文; 火花塞论文; 《科学与技术》2019年第20期论文;