燃烧室结构对天然气转子发动机燃烧过程的影响

doi:10.3901/JME.2015.22.141

机械工程学报 ›› 2015, Vol. 51 ›› Issue (22): 141-151.doi: 10.3901/JME.2015.22.141

• 可再生能源与工程热物理 • 上一篇下一篇

扫码分享

燃烧室结构对天然气转子发动机燃烧过程的影响

范宝伟¹, 潘剑锋¹, 黄俊², 肖曼¹, 姚嘉琪¹

1. 江苏大学能源与动力工程学院镇江 212013；
2. 中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所无锡 214063

收稿日期:2014-11-26 修回日期:2015-05-21 出版日期:2015-11-15 发布日期:2015-11-15
通讯作者: 潘剑锋，男，1978年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为微尺度燃烧和发动机燃烧过程。 E-mail：mike@ujs.edu.cn
作者简介:范宝伟，男，1987年出生，博士研究生。主要研究方向为发动机燃烧过程。 E-mail：tsww1919@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(51376082)、江苏省六大人才高峰第八批(装备制造201127)、江苏省高校优势学科建设工程和江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXZZ13-0671)资助项目

Influence of Combustion Chamber Configuration on Combustion Process of Natural Gas-fueled Rotary Engines

FAN Baowei¹, PAN Jianfeng¹, HUANG Jun², XIAO Man¹, YAO Jiaqi¹

1. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013;
2. Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute, FAW, Wuxi 214063

Received:2014-11-26 Revised:2015-05-21 Online:2015-11-15 Published:2015-11-15

摘要/Abstract

摘要： 以一台由端面进气汽油转子发动机改装而来的预混天然气转子发动机为研究对象，在FLUENT软件的基础上通过编程实现转子发动机三维网格的偏心运动，并选择合适的湍流模型、燃烧模型以及详细的CHEMKIN化学反应机理，建立基于化学反应动力学的端面进气天然气转子发动机三维动态数值模拟模型。通过与试验数据进行对比和分析，验证模型的可靠性。在此基础上，研究燃烧室结构对端面进气天然气转子发动机的缸内流场、温度场和中间产物浓度场的影响。结果表明，当燃烧室凹坑布置于转子曲面长度方向的前端和转子曲面宽度方向的中心时，燃烧过程同时利用了燃烧室后部的滚流以及燃烧室中部高速流区对火焰的加速作用，缸内整体燃烧速率最大。同时，其缸内压力最大以及中间产物OH的生成量也最大，其压力峰值比中置凹坑燃烧室提高了19.9%，但其NO质量分数仍在0.5%以内。

关键词: 端面进气转子发动机, 流场, 燃烧过程, 燃烧室结构, 三维动态模拟, 天然气

Abstract: Taking a side ported pre-mixed natural gas-fueled rotary engine converted from a gasoline rotary engine as the study object. On the basis of the Fluent simulation software, a three-dimensional dynamic simulation model is established by writing dynamic mesh programs and choosing the reasonable turbulent model, combustion model, CHEMKIN mechanism. The three-dimensional dynamic simulation model based on the chemical reaction kinetics is also validated by the experimental data. On this basis, the three-dimensional dynamic characteristics for flow, temperature field and the combustion intermediate product under different combustion chamber configuration are analyzed. The results show that when the rotor pocket is located at the front end of rotor surface along length direction and the center of the rotor surface along width direction, a tumble in the rear of combustion chamber and a high speed flow in the middle of combustion chamber are made full use to increase flame speed. The flame propagation speed reaches the maximum value. The indicator diagram is best and the production of OH is biggest. Comparing with mid pocket combustion chamber, the front pocket combustion chamber shows a 19.9 percent increase in the peak pressures, but NO emission mass fraction still stay within 0.5 percent.

Key words: combustion chamber configuration, combustion process, flow field, natural gas, side ported rotary engine, three-dimensional dynamic simulation

范宝伟, 潘剑锋, 黄俊, 肖曼, 姚嘉琪. 燃烧室结构对天然气转子发动机燃烧过程的影响[J]. 机械工程学报, 2015, 51(22): 141-151.

FAN Baowei, PAN Jianfeng, HUANG Jun, XIAO Man, YAO Jiaqi. Influence of Combustion Chamber Configuration on Combustion Process of Natural Gas-fueled Rotary Engines[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(22): 141-151.

参考文献

[1] 裴海灵，周乃君，高宏亮. 三角转子发动机的特点及其发展概况综述[J]. 内燃机，2006(6)：1-3.PEI Hailing，ZHOU Naijun，GAO Hongliang. The characteristics and improvement of rotary engines[J]. Internal Combustion Engines，2006(6)：1-3.
[2] 马凡华，江龙，丁尚芬，等. 稀燃天然气掺氢发动机循环变动的试验研究[J]. 机械工程学报，2010，46(6)：21-26.MA Fanhua，JIANG Long，DING Shangfen，et al. Experimental study on cycle-by-cycle variations in lean-burn natural gas engine with hydrogen enrichment[J]. Journal of Mechanical Engineering，2010，46(6)：21-26.
[3] 张欣，王玉君，李从心，等. 耦合 CFD 和详细化学动力学的CNG发动机工作过程多维数值模拟[J]. 机械工程学报，2009，45(11)：225-229.ZHANG Xin，WANG Yujun，LI Congxin，et al. Multi-dimensional numerical simulation of operating process of CNG engine using detailed chemical kinetics with CFD[J]. Journal of Mechanical Engineering，2009，45(11)：225-229.
[4] WU Jinjun，HAI Jingtao，SHI Jianzhong，et al. Strategy for diesel rotary engine with common rail injection system[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006，19(3)：412-416.
[5] 石滨，郭林福，刘建华. 缸内直喷不同CH4/N2配比的混合燃料发动机掺氢燃烧负荷特性试验研究[J]. 机械工程学报，2014，50(20)：107-112.SHI Bin，GUO Linfu，LIU Jianhua. Experimental study of load characteristics of direct-injection engine fueled with various proportions of CH4 and N2-hydrogen blends[J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50(20)：107-112.
[6] HASEGAWA Y，YAMAGUCHI K. An Experimental investigation on air-fuel mixture formation inside a low-pressure direct injection stratified charge rotary engine[R]. SAE，930678，1993.
[7] ABRAHAM J，BRACCO F V. Comparisons of computed and measured pressure in a premixed-charge natural-gas-
fueled rotary engine[R]. SAE，890671，1989.
[8] ABRAHAM J，BRACCO F V. 3-D computation of premixed-charge natural gas combustion in rotary engines[R]. SAE，910625，1991.
[9] 李立君，尹泽勇，乔渭阳，等. 汽油转子发动机燃烧过程模拟技术研究[J]. 内燃机学报，2005，23(5)：457-461.LI Lijun，YIN Zeyong，QIAO Weiyang，et al. Study on mathematical combustion model for a gasoline rotary combustion engine[J]. Transactions of Csice，2005，23(5)：457-461.
[10] 周乃君，陈秋亮，裴海灵，等. 燃油喷射方向对转子发动机燃烧的影响[J]. 内燃机，2008(2)：16-18.ZHOU Naijun，CHEN Qiuliang，PEI Hailing，et al. Rotary combustion engine performance influenced by the direction of fuel injection[J]. Internal Combustion Engines，2008(2)：16-18.
[11] 范宝伟，潘剑锋，陈瑞，等. 点火提前角对天然气转子发动机燃烧过程的影响[J]. 兵工学报，2014，35(1)：1-8.FAN Baowei，PAN Jianfeng，CHEN Rui，et al. Effects of ignition position on combustion in rotary engine fueled with nature gas[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2014，35(1)：1-8.
[12] YANG B，POPE S B. An investigation of the accuracy of manifold methods and splitting schemes in the computational implementation of combustion chemistry[J]. Combustion and Flame，1998，112(1-2)：16-32.

[1]	邓世伟, 沈文杰, 陈宇宏, 白天, 梅德庆, 汪延成. 硅外延生长反应腔内外延反应过程的数值仿真建模及实验研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 209-218.
[2]	廖贵文, 张毅, 魏凯, 刘小君, 王伟. 受限润滑界面液固二相流场结构与颗粒运动行为耦合特性分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 351-360.
[3]	刘银水, 丁爽爽, 马玉山, 吴新宇, 韩明兴, 崔岩. 蚁穴式节流元件控压机理和空化特性研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(16): 348-356.
[4]	朱剑月, 袁咏祎, 陈羽, 徐俊起. 后端设置扰流板对圆柱流场与气动噪声影响[J]. 机械工程学报, 2024, 60(12): 287-300.
[5]	胡琼, 肖洋, 卢迪, 曹志康, 王晓雷, 王衍, 武扬, 何一鸣. 微流道界面剪切对液膜密封空化流场特性的影响研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(9): 171-185.
[6]	阚峻峰, 黄海鸿, 刘威豪, 刘志峰. 柔性再生碳纤维湿法取向仿真模拟及其复合材料性能研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(7): 389-397.
[7]	杨永强, 蒋仁武, 刘子欣, 周瀚翔, 李阳, 王迪. 大尺寸粉末床激光熔融流场分析及在线监控研究进展[J]. 机械工程学报, 2023, 59(19): 389-410.
[8]	张旋, 余永刚, 张欣尉. 基于流固耦合的瞬态多相流场特性研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(16): 406-417.
[9]	张晓博, 朱栋, 李正寅, 焦尔豪, 侯镇浩. 双叶片套型电解加工流场设计及优化[J]. 机械工程学报, 2022, 58(21): 306-315.
[10]	赵文勇, 曹熙勇, 杜心伟, 魏艳红, 刘仁培, 陈纪城. CMT电弧增材制造过程传热传质数值模拟[J]. 机械工程学报, 2022, 58(1): 267-276.
[11]	周伟, 朱鑫宁, 连云崧, 游昌堂. 质子交换膜燃料电池的三维流场技术研究进展[J]. 机械工程学报, 2021, 57(8): 2-12.
[12]	翟富刚, 李超, 叶子, 谭昌宇, 陈誉. 内置过滤器边界对小型化液压油箱内流场的影响[J]. 机械工程学报, 2021, 57(24): 114-122.
[13]	方玉建, 张敏, 孙先朋, 张金凤, 瞿晔飞. 机械搅拌槽内非牛顿流体内流特性研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(20): 244-253.
[14]	刘城, 闫清东, 李娟, 李晋, 邹波. 高功率密度液力变矩器空化特性研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(24): 147-155.
[15]	吴邦治, 秦大同, 胡建军, 刘永刚. 考虑摩擦副接触应力场和冷却流场的湿式离合器温度场分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(22): 190-200.

燃烧室结构对天然气转子发动机燃烧过程的影响

Influence of Combustion Chamber Configuration on Combustion Process of Natural Gas-fueled Rotary Engines

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价