在能源紧缺和环境污染严重的双重压力下,为内燃机寻求可替代燃料,已经成为内燃机研究中的一个紧迫又重要的课题。天然气凭借储量丰富、燃烧产物清洁等特性使其在内燃机上的应用越来越多,本文针对某发动机改燃天然气后存在着动力性不足,经济性差的问题,利用试验和仿真计算,研究燃烧室结构对大缸径天然气发动机性能的影响,旨在改善发动机的动力性和经济性。(1)为研究压缩比的改变对大缸径天然气发动机性能以及缸内燃烧过程的影响,结合机械强度以及改造简便等要求,选取压缩比?=11为目标值进行顶隙优化,顶隙由10.5mm缩小至9.3mm,分别利用GT-Power和AVL-Fire建立大缸径天然气发动机仿真模型。通过AVL-Fire缸内燃烧模型计算得出不同点火提前角下的燃烧放热率,结合GT-Power求解指示热效率itη,得到MBT点,为后续整机性能计算奠定基础;分别利用GT-Power和AVL-Fire模型,研究分析压缩比对大缸径天然气发动机整机性能和缸内燃烧过程的影响。由整机性能仿真结果可知:当压缩比由原机的ε=10.5增加到ε=11时,在转速n=1000r/min,过量空气系数a?=1.6,100%负荷,?=10.5时点火角为30°CA BTDC,压缩比?=11时,点火角度为26°CA BTDC的条件下,发动机的动力性和经济性都得到有效改善。指示热效率由34.83%上升到36.88%,增加了5.89%;缸内最大压力上升20.77%,且峰值更靠近上止点;有效燃料消耗率由224.07g/(kW·h)降至213.54 g/(kW·h),下降了4.70%。缸内燃烧模拟结果显示:随着压缩比的增加,气缸内火焰传播速度加快,缸内温度最大值明显增大;缸内出现NOx的时刻越早,并且NOx的生成也越多;当燃烧趋于结束,缸内温度开始下降,压缩比越大,温度降低得越快。(2)为研究燃烧室结构改变对大缸径天然气发动机性能的影响,以压缩比?=11为目标值,在原机燃烧室的基础上设计了2号和3号两种形状的燃烧室,利用AVL-Fire分别建立缸内燃烧模型并进行三维仿真计算。通过对比分析仿真结果表明:在转速n=1000r/min,过量空气系数a?=1.6,100%负荷,2号燃烧室点火角度为26°CA BTDC,3号燃烧室点火角度为28°CA BTDC的条件下。2号、3号燃烧室都可以改善发动机燃烧过程和火焰传播,相比于1号燃烧室,2号和3号燃烧室缸压峰值分别增加了10.04%、5.2%;2号和3号指示功率分别增加了3.16%、1.74%;2号和3号燃烧室指示燃油消耗率分别下降了2.2%、1.43%,因此2号燃烧室对于发动机动力性和经济性的提升效果更为明显。为验证仿真计算的合理可行性,在转速n=1000r/min,过量空气系数a?=1.6,全负荷工况下,对采用2号燃烧室的大缸径天然气发动机进行试验分析,通过试验值和仿真值的对比可知,仿真结果与试验值的相对误差在5%的合理范围内,因而说明仿真计算的合理可行性。