在能源紧缺与环境污染日愈严峻的今天,发动机的可持续发展面临着重大的考验,寻求一种理想的替代燃料是解决这一问题的有效途径之一。天然气因其在世界范围内的储存量大、燃烧产物清洁以及价格相对低廉等优点而逐渐成为人们的研究热点,具有十分广阔的应用前景。天然气发动机应用稀燃技术能够降低燃烧温度,减少NO_x排放,并提高热效率和降低燃气消耗,但同时也具有燃烧不稳定、循环变动大等问题,因此需要提高其点火的可靠性。本文中的天然气发动机采用了点火室式燃烧系统,通过火花塞放电引燃点火室中较浓的混合气,产生高温高压的火焰经由连通点火室与主燃室的喷孔形成射流,进入主燃室后点燃其中的较稀混合气,并产生较强烈的扰动,从而提升天然气的燃烧速率,达到充分燃烧的目的。本文针对一款缸径为320 mm的点火室式天然气发动机,应用三维CFD软件CONVERGE建立了包括点火室、主燃室以及进排气道在内的仿真模型,选择合适的计算模型对该发动机的一个工作循环进行仿真模拟计算,以试验数据为基准对发动机模型进行验证和参数标定。设计并分析了点火室喷孔个数、锥形喷孔、中心喷孔、分层喷孔、点火室当量比、点火提前角以及点火室隔热等方案对天然气发动机燃烧与排放特性的影响。结论如下:(1)在点火室喷孔个数的研究中,当喷孔数较少时,射流火焰在主燃室的覆盖面积较小,燃烧不充分,当喷孔数较多时,火焰之间会产生干涉,不利于火焰传播。7孔方案使射流火焰分布更为均匀合理,在动力性和排放性上都优于原机,9孔方案功率相比原机有所提高,但NO_x排放增多。(2)锥形喷孔方案有利于提高燃烧效率,提高功率并降低NO_x排放。随着拔模角度的增大,发动机的指示功率功率呈现先升高后降低的趋势,NO_x排放呈下降趋势。相比原机,cone2方案功率提升最为明显,cone3方案NO_x降幅最大。(3)中心喷孔方案的效果与中心喷孔的直径有关,其中center2方案功率提升最明显但NO_x排放有所增多,center1.5方案和center2.5方案在功率提高的同时,降低了NO_x排放。(4)分层喷孔方案使下层喷孔的射流火焰的落点降低,若下层喷孔轴线与水平轴夹角过大,会导致火焰碰触活塞壁面后速度迅速下降,不利于进一步向外扩散,降低燃烧的均匀性,使得燃烧效率降低。layer1和layer3方案的指示功率低于原机,layer2方案的指示功率虽然高于原机,但NO_x排放增多。(5)点火室的燃空当量比是影响天然气发动机性能的重要参数,当量比过小,混合气过于稀薄,不利于火花塞点火和火焰的快速传播;当量比过大,过少的空气量同样不利于着火。随着点火室平均当量比的增大,发动机的指示功率先升高后降低,NO_x排放也呈先升后降的趋势。当点火时刻点火室的平均当量比为1.1时,发动机的指示功率最高,相比原机提高了3.3%,但同时NO_x排放增多了5.6%。(6)随着点火时刻的提前,发动机的缸内最大爆发压力逐渐升高,点火时刻过早会增加发动机发生爆震的风险,加剧发动机的磨损,同时NO_x排放性能变差;点火时刻太迟会导致发动机的输出功率降低。相对于原机,点火提前角为18°CA的方案的指示功率提高了0.7%,于此同时NO_x的排放量降低了13%。(7)点火室隔热设计降低了点火室的散热损失,提高了点火室的平均温度,进而提高了射流火焰的温度,提高了点火能量,有效地提高了发动机的功率和热效率,但NO_x排放有所上升。