内燃机的应用为人类生产生活带来巨大便利,但同时也导致石油资源的紧缺和环境污染等问题,寻找清洁的替代燃料成为缓解这些问题的重要途径,因此天然气在内燃机中的清洁高效利用日益受到关注。天然气具有价格低廉、排放污染低以及储存量大等优点,同时存在着火温度高、火焰传播速率慢等缺点,导致稀燃点火困难、易发生爆震等问题。为解决这些问题,在大缸径的天然气发动机上采用预燃室式分层稀薄燃烧方式,在预燃室内形成当量比约为1.0的混合气,燃烧产生湍流火焰射流,点燃主燃烧室内的稀薄混合气,可以提高点火可靠性并加速火焰传播速率,还可实现超低的NO_x排放,满足严格的非道路及船舶发动机NO_x排放标准。此外,在天然气中掺氢也是提高火焰传播速率的重要方法,同时还可以降低着火温度和扩宽稀燃极限。因此,在大功率天然气发动机中,结合预燃室式分层稀薄燃烧与掺氢这两种技术手段,有望进一步改善发动机性能。本文以6ACD320G预燃室式天然气发动机为研究对象,采用计算流体动力学和化学反应动力学耦合的数值模拟方法计算发动机燃烧过程,对预燃室的几何结构进行优化,然后基于优化的预燃室结构,研究掺氢比、过量空气系数和点火正时等参数对天然气发动机性能和排放的影响。对预燃室几何结构的优化,以预燃室体积比、喷孔夹角和喷孔孔径为自变量,其中,预燃室体积比的变化范围为1.1%⁴.0%,喷孔夹角的变化范围为60°⁸0°,喷孔孔径的变化范围为2.5mm³.5mm,以指示热效率和NO_x排放率为优化目标,采用响应面法进行多参数多目标优化设计,得出优化的几何结构参数为:预燃室体积比2.1%,喷孔夹角77.5°,喷孔孔径3.06mm,在此条件下,可得到最高的指示热效率和较低的NO_x排放。经研究发现,预燃室体积比对压差影响明显,当体积比较大时,难以形成压差,进而导致喷孔出口处的火焰射流速率较低;喷孔夹角对射流能量的变化影响显著,当喷孔夹角较小时,火焰射流会过早与活塞顶面发生碰撞,易出现火焰碰壁淬熄现象;喷孔孔径对节流作用影响显著,当喷孔孔径较小时,节流作用较大并且喷孔壁面热流损失增大。基于上述优化后的预燃室几何结构,进行了天然气掺氢对发动机燃烧和性能影响的研究,掺氢比变化范围为0%³0%。研究结果表明,天然气中掺氢加速缸内火焰传播并且放热速率增加,其根本原因在于掺氢使缸内H、OH等活性自由基的生成量显著增加,促进燃烧反应的进行。天然气掺氢使燃烧持续期缩短,其中,前半程的燃烧速率提升主要得益于火焰射流导致的湍流扰动,因而前半程快速燃烧期对掺氢比不太敏感,而后半程快速燃烧期随掺氢比的增加持续下降。掺氢使发动机的CO、HC排放下降,NO_x排放增加,其中,HC排放的主要成分为CH₄,占比约90%。掺氢使发动机的指示燃气消耗率下降、指示热效率和指示功率提高,当掺氢比增加到15%之后,发动机综合性能改善的效应减弱,综合比较采用15%的掺氢比对发动机性能较为有利。进而研究了过量空气系数和点火正时对发动机燃烧和性能的影响,发现随着过量空气系数的增大:缸内的最高爆发压力和放热率呈现下降的趋势,其中,最高爆发压力相位存在先推迟再提前现象;缸内平均温度和局部火焰温度均降低,并且天然气燃料在过量空气系数增大时,缸内易出现淬熄现象,而掺氢天然气可以在一定程度上避免这一现象;燃烧持续期明显变长,NO_x排放降低,但过大的过量空气系数会导致缸内不完全燃烧,导致HC和CO排放的增加。综合比较,采用天然气燃料时发动机的经济性和排放对过量空气系数的变化更为敏感,其主要原因是过量空气系数超过2.2之后燃烧效率急剧降低,而在天然气中掺氢可以显著改善高过量空气系数条件下的燃烧效率,拓宽稀燃极限。通过提前点火正时,可以在稀燃条件下加速缸内燃烧、改善发动机性能和排放。