随着世界人口的增长、汽车工业和经济的不断发展,全球石油资源短缺和环境污染问题变得日益严峻,人们开始逐渐意识到调整汽车工业能源结构的重要性,并积极寻找相对储量更大、更清洁的新燃料。天然气作为一种新燃料,从储量上看是世界上继煤和石油之后的第三大天然能源;从环保方面看,天然气是一种清洁燃料,在其完全燃烧时和汽油相比HC排放减少72%、NOx排放降低39%、CO排放减少97%,和柴油相比SO2排放降低90%、碳烟排放减少93%;因此,压缩天然气(CNG)已经成为理想的内燃机代用燃料。随着CNG在汽车发动机中的广泛应用,CNG发动机技术得到了迅速发展,目前国内外的研究热点集中在缸内直喷供气技术和稀薄燃烧技术上:缸内直喷技术具有当量比控制精确、充气效率高以及稀燃极限范围广易于实现稀薄燃烧的优点;稀薄燃烧技术有利于提高发动机的热效率,较低的混合气浓度降低了燃烧温度,减少了燃烧产物的分解,有利于燃料的完全燃烧,从而降低发动机的CO、HC和NOx排放。本文基于中国博士后科学基金项目(2013M541295)《缸内直喷CNG发动机稀薄燃烧火焰传播机理研究》,结合课题组成员前期在国外针对缸内直喷CNG光学试验样机进行的缸内直喷CNG发动机火焰传播过程可视化试验研究的结果,利用计算机数值建模仿真计算,深入研究缸内直喷CNG发动机不同喷射方式和不同点火方式对气缸内混合气浓度场、火焰传播特性、温度场以及NO生成速率等三维微观物理场的变化规律;结合样机的燃烧放热规律、示功图以及NO生成量的测试结果,研究了当量比、喷射位置、喷射定时和点火方式等参数对火焰传播机理和NO生成规律的影响,给出提高火焰传播速度、燃烧稳定性、燃烧热效率以及降低NO排放的有效途径。在此基础上,结合来自企业的横向课题《2.0L高压共轨柴油机燃烧系统开发》(2011220101001190)项目,利用在CNG发动机试验样机上通过数值仿真计算研究确定的CNG燃料喷气模型及其混合燃烧模型,以及在开发2.0TCI高速直喷柴油机燃烧系统过程中该发动机实际运行工况条件(如实际转速下的进气状态、温度条件等)作为将2.0TCI柴油机改装成CNG发动机时进行仿真计算的边界条件,并对仿真模型和算法进行相应的调整并通过验证之后,以数值仿真实验方法研究了燃烧室形状、转速和压缩比等CNG发动机参数对气缸内气流运动模式的影响,并以此为基础结合一定的喷射方式和点火方式,分析研究了这三种不同条件下混合气形成的动态特性及其对发动机燃烧放热规律、气缸内微观物理场的变化规律以及NO生成规律的影响,由此提出2.0TCI柴油机改装成CNG发动机时燃烧系统结构的改进方案及改善发动机动力性、经济性与排放性能的途径。研究结果表明:在缸内直喷CNG发动机试验样机中:(1)在稀薄区域适当地提高当量比,可增大混合气浓度梯度,提升火焰传播速度、燃烧放热率和燃烧压力,从而使循环变动减小,稀薄燃烧过程更趋稳定,但同时气缸中燃烧温度的升高,导致NO的大量生成,如果当量比过大,会形成过浓混合气,反而使火焰传播特性变差,因此在实际应用中应适当地选取当量比;(2)采用双点不同时点火的点火方式,可以使先燃烧的火焰在受到气流牵引作用的基础上,再受到后点燃火焰的推动作用,由此可以使整体火焰传播的速度得到进一步提升,值得注意的是在发动机动力性相同条件下,单点点火的点火方式会产生更多的NO,采用两点点火,并减小点火提前角,可以在兼顾发动机动力性和经济性的条件下有效地降低NO排放;(3)喷射器相对于火花塞的位置对稀薄火焰的传播特性也具有一定影响,喷射器的喷射气流越靠近火花塞,越有利于火焰核心的形成以及火焰的传播;(4)在喷气量和点火方式一定时,喷射时刻主要影响混合气的形成时间,从而影响缸内混合气浓度的分布特性,适当地提前喷射时刻,可延长混合气形成时间,使缸内形成的混合气趋于均匀,火焰传播速度变慢,放热速率和放热率峰值降低,从而降低缸内平均温度、温度梯度以及高温区域面积,由此减少NO的生成,反之迟后喷射时刻会使NO生成量增加;(5)在燃烧的急燃期火焰带上的温度非常高,远超过2000K,在混合气较浓的缺氧区也会生成少量的NO,这说明在混合气浓度场梯度分布的分层稀薄燃烧过程中,快速NO与Zeldovich NO都会生成,并且依赖于温度的Zeldovich热力NO并非在火焰带上生成,而是生成于火焰传播过后的高温富氧区;总之,在组织稀薄燃烧时,通过对喷气量,喷射时刻和点火方式进行优化匹配,可有效控制缸内形成的混合气的浓度梯度分布规律,从而有效控制火焰传播过程,达到在改善稀薄燃烧速度及稳定性的同时,有效地抑制NO生成的目的。在由2.0TCI高速直喷柴油机改装的CNG发动机中:(1)燃烧室凸台和缩口的设计对气缸内混合气形成过程中气流的运动模式有较大影响,进而影响燃烧特性。燃烧室底部中央形状为凹形斜坡且凸台较高时对气流的引导作用最好,燃烧室底部壁面附近的TKE最大;而底部中央为外凸形斜坡、凸台高度较低时对气流的引导效果次之;平底燃烧室的效果最差;燃烧室缩口比小于1时,对气流的引导作用良好,但点火时刻在火花塞处的混合气浓度场及湍流动能分布特性较差,不利于点火燃烧;如缩口采用扩口会减小挤流面积不利于火焰传播;缩口比等于1的直口型燃烧室效果最好,可以保证燃烧室内一定的湍流强度,且大TKE的区域分布在燃烧室壁面附近,这有利于壁面区域的混合气形成,有效提高火焰传播速度。(2)在不同转速下,燃烧室形状的差异会对燃烧特性产生影响:对于中间有凸台、缩口比小于等于1的燃烧室,转速对其火焰传播速度影响较大,随着转速的提高总燃烧期变长,以曲轴转角计的火焰传播速度减慢,从而引起燃烧放热率峰值下降;转速对直筒燃烧室发动机气缸内火焰传播速度的影响较小。(3)对缸内直喷CNG发动机增大压缩比时,气缸内更早形成更强的挤流且燃烧室容积更小,因此平均TKE更高,火焰传播速度更快,放热重心更靠近上止点,放热率峰值增大。但热效率随压缩比的提高并不是线性的,随着压缩比的增大燃烧放热率的增加量反而减小;而NO生成量的变化情况正好相反,即NO生成量的增量随压缩比的增大而增大,导致随压缩比增大NO生成量急剧增加。因此,适当提高压缩比能在NO排放增加不大的情况下提高动力性和经济性,但如果压缩比增加过大,则不仅发动机热效率提高有限同时还极大地增加了NO生成量,为此需要将CNG发动机的压缩比控制在合适的范围内。根据研究结果建议样机压缩比采用12。