CN115163293A - 天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法 - Google Patents

天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，该方法为：分别对发动机的进气道和燃烧室的结构进行优化，将发动机的进气道从原有的直道进气道改为螺旋进气道，将发动机的燃烧室的直径比d/D和燃烧室凹坑侧壁和燃烧室收口顶部夹角θ进行调整，其中，d为燃烧室的小径直径，D为缸径。本发明能够从气流协调的方面，对滚流、挤流和卷流进行协同优化，实现发动机的快速燃烧。

Description

天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法
技术领域
本发明属于点燃式天然气发动机技术领域，具体涉及一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法。
背景技术
天然气发动机是属于燃气发动机的一种，对于天然气发动机，燃烧效果会影响发动机动力性、经济性和排放性能。若发动机燃烧效果不好，则会对于发动机以及动力系统相关产生不利影响。因此发动机的燃烧效果是一项非常重要的性能参数。
目前加快天然气发动机燃烧的方法主要有：开式燃烧室当量比燃烧技术，稀薄燃烧技术，预燃室火花点火燃烧系统和柴油微引燃天然气燃烧系统等。这些技术目的是通过提高点火前缸内能量来加快燃烧。前两种技术主要是通过控制混合气的等熵指数，增大热效率，从而加快天然气发动机的燃烧。后两种技术都是从天然气发动机的点火方面来加快燃烧，利用火花塞点火或引燃的方式，增大点火时刻的能量，使得缸内初始火核能量增大，因此加快了天然气发动机的燃烧。
以上这些技术都是从宏观上对天然气发动机燃烧前的条件进行改进，从而加快燃烧。而对于点燃式天然气发动机，缸内微观的气流组织情况同样是影响缸内的燃气混合情况以及后续的燃烧发展效果一个非常重要的因素。目前并没有通过缸内滚流-挤流-卷流协同作用的气流组织系统来加快天然气发动机燃烧的这一思路。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，能够从气流协调的方面，对滚流、挤流和卷流进行协同优化，实现发动机的快速燃烧。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，该方法为：分别对发动机的进气道和燃烧室的结构进行优化，将发动机的进气道从原有的直道进气道改为螺旋进气道，将发动机的燃烧室的直径比d/D和燃烧室凹坑侧壁和燃烧室收口顶部夹角θ进行调整，其中，d为燃烧室的小径直径，D为缸径。
进一步的，将发动机的进气道从原有的直道进气道改为螺旋进气道时，定义螺旋进气道的脊线与进气口的切向夹角为螺旋进气道的旋转角度ɑ，且0°≤ɑ≤180°，随ɑ的增大，进气道的滚流的流速也随之增大；
定义螺旋进气道的轴线与气道倾斜夹角为螺旋进气道的倾角β，且0°≤β≤90°，0°≤β≤45°时，滚流的强度随β增大而增大；45°≤β≤90°时，滚流的强度随β增大而减小；
通过调节ɑ值和β值，并进行三组以上的方案进行对比权衡，每组方案内均有ɑ值和β值的数据，并对每组方案分别进行建模仿真试验，选出滚流效果最好的三组方案。
进一步的，将发动机的燃烧室的直径比d/D和燃烧室凹坑侧壁和燃烧室收口顶部夹角θ进行调整时，通过调节d/D的比值和θ值，并进行三组以上的方案进行对比权衡，每组方案内均有一组d/D的比值和θ值的数据，并对每组方案分别进行建模仿真试验，选出挤流和卷流效果配合最好的三组方案。
进一步的，将发动机的燃烧室的直径比d/D和燃烧室凹坑侧壁和燃烧室收口顶部夹角θ进行调整时，通过调节d/D的比值和θ值，并进行三组以上的方案进行对比权衡，每组方案内均有一组d/D的比值和θ值的数据，并对每组方案分别进行建模仿真试验，选出挤流和卷流效果配合最好的三组方案。
进一步的，将选出的进气道的三个方案和燃烧室的三个方案进行组合，得到九个方案；分别对九个方案重新构建优化后的CONVERGE模型，九个方案分别和原来的发动机的缸压、累计放热量、瞬时放热率、速度、温度、湍动能、速度矢量进行数据对比，最终得到一个最优的方案。
进一步的，在对发动机的进气道和燃烧室的结构进行优化前，根据真实发动机的进气道的结构尺寸及燃烧室的结构尺寸对发动机进行CONVERGE模型的构建，并根据该CONVERGE模型计算获得发动机的仿真二维数据和仿真三维数据；仿真二维数据包括发动机各缸的缸压、累计放热量、瞬时放热率；仿真三维数据包括发动机的速度、温度、湍动能、速度矢量。
进一步的，所述进气道为单侧螺旋倾斜进气，且ɑ为45°～60°，同一气缸的双进气道的倾角为β1为60°～70°，倾角β2为20°～30°；燃烧室的θ＝90°，d/D＝0.727，此时的发动机燃烧效果最佳。
有益效果：
(1)本发明提供了一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，可以有效增强进气滚流，增大缸内初始滚流，滚流和挤流协同配合对于点火时刻火核的形成提供了有利条件，在燃烧室中形成了较为均布的卷流，有利于火焰的快速均匀的发展，从而实现缸内的快速燃烧。
(2)本发明将发动机的进气道从原有的直道进气道改为螺旋进气道，尤其为单侧螺旋倾斜进气，增大进气流速和强度，增大了进气滚流，提高了缸内初始滚流强度，有利于气体在缸内的快速混合，提高缸内进气后的气体混合均匀度；
(3)本发明对发动机的燃烧室的直径比d/D和燃烧室凹坑侧壁和燃烧室收口顶部夹角θ进行调整，将燃烧室结构调整为θ＝90°，d/D＝0.727，使得挤流保持在相对较高的强度，在点火前的压缩过程中，气流进一步快速的混合，并加快了缸内涡团破碎的速度，提高了点火前缸内的能量，且发动机在θ＝90°时没有矫正过度的挤流，因此在点火时刻，能够给火核提供一个相对稳定的气流环境，火核与缸内中心线生成，并产生了较为均匀卷流，使得火焰发展均匀且快速；
(4)本发明的将选出的进气道的三个方案和燃烧室的三个方案进行组合，得到九个方案；分别对九个方案重新构建优化后的CONVERGE模型，九个方案分别和原来的发动机的缸压、累计放热量、瞬时放热率、速度、温度、湍动能、速度矢量进行数据对比，最终得到一个最优的方案，最终选出的最优方案实现了滚流-挤流-卷流的协同优化，既加快了气体混合，在缸内形成了能量较高的气流环境，又有利于火核的行程，促进了火焰的发展，使发动机的燃烧速度得到了大幅提高。
附图说明
图1为本发明的实施步骤图。
图2为本发明的进气道结构俯视图。
图3为本发明的进气道结构右视图。
图4为本发明的进气道结构左视图。
图5为本发明的燃烧室结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，参见附图1，具体步骤如下：
步骤一，获取发动机的真实数据，该数据包括：发动机各缸的缸压、累计放热量、瞬时放热率、进气道的结构尺寸及燃烧室的结构尺寸；发动机各缸的缸压、累计放热量、瞬时放热率为发动机的真实二维数据；
根据真实发动机的进气道的结构尺寸及燃烧室的结构尺寸对发动机进行CONVERGE模型的构建，并根据该CONVERGE模型计算获得发动机各缸的缸压、累计放热量、瞬时放热率等仿真二维数据，同时获得速度、温度、湍动能、速度矢量等仿真三维数据；其中，将所述仿真二维数据与所述真实二维数据进行对比，若保持一致，则表示所述CONVERGE模型符合要求，若不一致，则重新构建CONVERGE模型，直到所述仿真二维数据与所述真实二维数据保持一致；
步骤二，分别对发动机的进气道和燃烧室的结构进行优化：
(1)对发动机的进气道进行优化设计：在CONVERGE模型内，对发动机的进气道的结构尺寸进行改变，以改变进气道的滚流；
原有的发动机的进气道采用直道进气道，直道进气道没有利用结构进行气流加速，因此滚流的强化作用不明显；
参见附图2，本实施例将直道进气道改为螺旋进气道，定义螺旋进气道的脊线与进气口的切向夹角为螺旋进气道的旋转角度ɑ，且0°≤ɑ≤180°，当ɑ＝0°时为直道进气道；当ɑ＞0°时为螺旋进气道，随ɑ的增大，进气道的滚流的流速也随之增大；
定义螺旋进气道的轴线与气道倾斜夹角为螺旋进气道的倾角β，且0°≤β≤90°，当β＝0°时为垂直进气；β的改变可以影响滚流的强度，以45°为界限，0°≤β≤45°时，滚流的强度随β增大而增大；45°≤β≤90°时，滚流的强度随β增大而减小；参见附图3-4，为发动机的同一个气缸的双进气道，β1为其中一个进气道的倾角，β2为另一个进气道的倾角；
滚流的强度通过滚流比表现，滚流比越大，滚流的强度越大；滚流比受滚流的流速和进气流量影响；滚流的流速越大，滚流比越大，因此滚流的强度越大；进气流量越大，滚流比越小，因此滚流的强度越小；其中进气流量大小看流量系数，流量系数越大，进气流量越大；因此滚流的强度和与流量系数一般不可能获得同时提高，因此需要进行多组方案进行对比权衡；对方案分别进行建模仿真试验，对比缸压、累计放热量、瞬时放热率等二维仿真数据，对比三维速度、温度、湍动能、速度矢量等仿真三维数据，得到进气道滚流效果最好的三个方案。
(2)对发动机的燃烧室进行优化设计：在CONVERGE模型内，对发动机的燃烧室的结构尺寸进行改变，以改变挤流和卷流；
参见附图5，定义发动机的燃烧室的小径直径为d，缸径为D，直径比d/D的范围为0＜d/D＜1，当d/D的比值为0.62～0.74时，为最优范围；d/D的比值减小，会使发动机的缸内挤流作用增强，但过大的挤流作用不利于在点火前达到稳定的气流组织；
定义燃烧室凹坑侧壁和燃烧室收口顶部夹角为θ，且0°＜θ＜180°；θ减小会使缸内挤流作用增强，对燃烧、经济性、动力性有利，热负荷会高，但会影响燃烧时燃烧室内的卷流；
因此需要调节d/D的比值和θ值，并进行三组以上的方案进行对比权衡，每组方案内均有一组d/D的比值和θ值的数据，并对每组方案分别进行建模(即CONVERGE模型)仿真试验，对比缸压、累计放热量、瞬时放热率等二维仿真数据，对比速度、温度、湍动能、速度矢量等仿真三维数据，选出挤流和卷流效果配合最好的三组方案。
步骤三，缸内初始滚流流场的滚流强度决定了滚流流场衰减的起点，在衰减起点足够高的前提下，燃烧室的形状决定了保留到上止点前的滚流强度。在压缩过程中，压缩末期缸内的滚流强度一般随初始滚流强度的增大而增大，但过大的初始滚流强度会使滚流在缸内的发展演化受到限制。随着压缩的进行，燃烧室形状对滚流的影响愈发明显，挤流的作用更加明显，使得缸内滚流进一步扭曲破碎，趋向于燃烧室形状。点火之后，滚流和挤流协同作用的气流环境决定了卷流的分布及强度，卷流拉伸天然气火焰面向燃烧室壁面挤压，又反过来影响此时缸内的滚流与卷流。
在滚流、挤流、卷流三者的协同作用下，本实施例的快速燃烧优化方法能够强化已燃与未燃混合气间传热传质过程，大幅加快天然气整体燃烧速率；将进气道的滚流优化效果较好的三个方案和燃烧室的挤流和卷流优化效果较好的三个方案进行组合，得到九个方案；分别对九个方案重新构建优化后的CONVERGE模型，九个方案分别和原来的发动机的缸压、累计放热量、瞬时放热率等二维仿真数据和速度、温度、湍动能、速度矢量等仿真三维数据进行数据对比，最终得到一个最优的方案对应的发动机系统。
在本实施例中，进气道为单侧螺旋倾斜进气，且ɑ为45°～60°，β1为60°～70°，β2为20°～30°；燃烧室的θ＝90°，d/D＝0.727，以达到滚流-挤流-卷流效果协同优化，此时的发动机燃烧效果最佳。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，其特征在于：该方法为：分别对发动机的进气道和燃烧室的结构进行优化，将发动机的进气道从原有的直道进气道改为螺旋进气道，将发动机的燃烧室的直径比d/D和燃烧室凹坑侧壁和燃烧室收口顶部夹角θ进行调整，其中，d为燃烧室的小径直径，D为缸径。
2.如权利要求1所述的一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，其特征在于：
将发动机的进气道从原有的直道进气道改为螺旋进气道时，定义螺旋进气道的脊线与进气口的切向夹角为螺旋进气道的旋转角度ɑ，且0°≤ɑ≤180°，随ɑ的增大，进气道的滚流的流速也随之增大；
定义螺旋进气道的轴线与气道倾斜夹角为螺旋进气道的倾角β，且0°≤β≤90°，0°≤β≤45°时，滚流的强度随β增大而增大；45°≤β≤90°时，滚流的强度随β增大而减小；
通过调节ɑ值和β值，并进行三组以上的方案进行对比权衡，每组方案内均有ɑ值和β值的数据，并对每组方案分别进行建模仿真试验，选出滚流效果最好的三组方案。
3.如权利要求1所述的一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，其特征在于：
将发动机的燃烧室的直径比d/D和燃烧室凹坑侧壁和燃烧室收口顶部夹角θ进行调整时，通过调节d/D的比值和θ值，并进行三组以上的方案进行对比权衡，每组方案内均有一组d/D的比值和θ值的数据，并对每组方案分别进行建模仿真试验，选出挤流和卷流效果配合最好的三组方案。
4.如权利要求2所述的一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，其特征在于：
将发动机的燃烧室的直径比d/D和燃烧室凹坑侧壁和燃烧室收口顶部夹角θ进行调整时，通过调节d/D的比值和θ值，并进行三组以上的方案进行对比权衡，每组方案内均有一组d/D的比值和θ值的数据，并对每组方案分别进行建模仿真试验，选出挤流和卷流效果配合最好的三组方案。
5.如权利要求4所述的一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，其特征在于：
将选出的进气道的三个方案和燃烧室的三个方案进行组合，得到九个方案；分别对九个方案重新构建优化后的CONVERGE模型，九个方案分别和原来的发动机的缸压、累计放热量、瞬时放热率、速度、温度、湍动能、速度矢量进行数据对比，最终得到一个最优的方案。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，其特征在于，
在对发动机的进气道和燃烧室的结构进行优化前，根据真实发动机的进气道的结构尺寸及燃烧室的结构尺寸对发动机进行CONVERGE模型的构建，并根据该CONVERGE模型计算获得发动机的仿真二维数据和仿真三维数据；仿真二维数据包括发动机各缸的缸压、累计放热量、瞬时放热率；仿真三维数据包括发动机的速度、温度、湍动能、速度矢量。
7.如权利要求2、4或5中任一项所述的一种天然气发动机的滚流—挤流—卷流协同的快速燃烧优化方法，其特征在于，所述进气道为单侧螺旋倾斜进气，且ɑ为45°～60°，同一气缸的双进气道的倾角为β1为60°～70°，倾角β2为20°～30°；燃烧室的θ＝90°，d/D＝0.727，此时的发动机燃烧效果最佳。
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CN117786865A (zh) * 2024-02-23 2024-03-29 潍柴动力股份有限公司 一种燃烧系统的设计方法、装置、设备及存储介质

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