随着国际海事组织(IMO)对船用发动机NO_X排放标准的日益严格,天然气发动机高效、低NO_X排放燃烧技术已成为目前研究的热点。稀薄燃烧可以有效降低NO_X排放,且提高热效率,然而会出现失火和燃烧不稳定的现象,加大循环变动,增加碳氢化合物(HC)的排放,而预燃室式分层稀燃方式在保证低排放和高热效率的前提下,还可以实现可靠的点火与快速的燃烧。但这种发动机的结构复杂,需要进行精细的优化。本文以胜利动力有限公司的12V190型船用天然气发动机为研究对象,讨论预燃室结构及参数对气体流动和燃烧的影响。本文主要运用CONVERGE软件进行了一系列的数值模拟计算。首先根一维仿真软件AVL BOOST计算得到较为准确的初始条件和边界条件,随后进行三维建模及模型验证。为探究火花塞位置对初始燃烧的影响,分别对火花塞偏置和中置的方案进行计算对比。由于压缩冲程阶段主燃室气流的压入,预燃室中心轴线方向在点火时刻会出现一块稀薄区域,为保证可靠点火,火花塞宜布置在预燃室的外围,避开稀薄混合气区域。为研究预燃室形状对预燃室内浓度场和火焰传播的影响,设计了4种形状的预燃室,其上部圆柱形区域的径高比范围为1.02~2.05。通过计算分析可知,预燃室形状会影响其内部湍流场的结构,影响混合气的浓度分布,进而影响预燃室内的火焰传播速率以及主燃烧室的燃烧特性。研究发现,预燃室上部径高比为1.45的设计方案形状最优,能获得较均匀的混合气浓度分布,最快的火焰传播速度及最短的燃烧持续期。为研究喷孔个数对气体流动和燃烧的影响,在保证预燃室其余结构不变,预燃室加浓喷射策略相同,点火提前角均为20°CA,喷孔总流通面积不变的前提下,设计不同的喷孔数目(4孔~8孔)的方案。结果表明:喷孔数过多会导致射流速度降低、动力不足,使得湍流火焰射流贯穿距较短,贯穿速率较低,主燃室内火焰的径向传播时间较长,延长燃烧持续期;较少的孔数会使火焰在主燃室内周向传播距离增加,尽管火焰有很强的穿透力,但燃烧持续时间还是比较长。喷孔数为6的方案最优,可获得最快的燃烧速率、最高的指示热效率和较低的NO_X排放。为讨论喷孔直径对气流速度和火焰传播特性的影响,在喷孔数为6的基础上,设计不同的喷孔直径(1.0mm~4.0mm)。模拟结果表明,预燃室喷孔直径对气流运动和燃烧特性有重要影响。孔径过小时,预燃室内尽管也能成功着火并燃烧,但湍流火焰射流经过喷孔时由于湍动能耗散率较大,温降较快,火焰在喷孔内淬熄,喷入主燃室的已燃及未然混合气温度不够高,不足以点燃主燃室中较冷的稀薄混合气。孔径过大时,经喷孔进入主燃室的火焰射流穿透力度不够,导致径向方向的火焰传播速度相对较慢,燃烧持续期延长。孔径为2.5mm的设计方案缸内稀薄混合气着火性能良好,燃烧速度最快、指示热效率最高且NO_X排放较低。因此,预燃室喷孔直径为2.5mm、孔数为6个的设计方案是本文研究得到的最佳设计方案。