天然氣-氫氣混合燃料結(jié)合EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)和預(yù)混層流燃燒研究.pdf

1、隨著世界能源形勢(shì)的緊張和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)清潔替代燃料的研究越來越多地受到人們的關(guān)注。天然氣由于其儲(chǔ)量大、有害排放低、燃料辛烷值高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，使之在城市公交系統(tǒng)獲得廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于天然氣是氣體燃料，在發(fā)動(dòng)機(jī)上使用時(shí)仍存在以下缺點(diǎn)：火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，密度小，著火范圍窄，燃燒時(shí)間長(zhǎng)，放熱過程等容度低，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率低等。同天然氣相比，氫氣具有火焰?zhèn)鞑ニ俾士?，可燃范圍寬，點(diǎn)火能量低，排氣中無含碳污染物且可再生等優(yōu)點(diǎn)。因此，天然氣

2、摻氫成為發(fā)動(dòng)機(jī)研究的一大熱點(diǎn)。目前有很多學(xué)者對(duì)天然氣摻氫在發(fā)動(dòng)機(jī)上燃燒開展了研究工作并取得了一些成果，但是，天然氣摻氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仍存在一些問題，其中最突出的問題是摻氫之后NOx排放較高。廢氣再循環(huán)（EGR）作為一種降低NOx的主要途徑，引入后可有效降低天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放。
　　本文在國家973項(xiàng)目、863計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的資助下，系統(tǒng)地開展了天然氣-氫氣混合燃料結(jié)合廢氣再循環(huán)(EGR)發(fā)動(dòng)機(jī)和預(yù)混層流燃燒的研究

3、。通過發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)、定容燃燒彈試驗(yàn)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析，將研究工作由定性發(fā)展為定量，由宏觀深入到微觀，由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到機(jī)理分析，為天然氣摻氫混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)支撐。研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程指導(dǎo)價(jià)值。獲得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：
　　(1)通過天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合EGR的燃燒特性的試驗(yàn)研究，得到了摻氫和EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性影響的宏觀規(guī)律。最佳點(diǎn)火提前角隨著EGR率的增加而提前，隨著摻氫比的增加而推遲。摻氫比

4、一定時(shí)，火焰發(fā)展期、快速燃燒期和燃燒持續(xù)期均隨EGR率的增加而增加；隨摻氫比的增加而縮短。研究發(fā)現(xiàn)，天然氣摻氫對(duì)火焰發(fā)展期的降低率大于對(duì)快速燃燒期的降低率。
　　(2)通過對(duì)天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合EGR的循環(huán)變動(dòng)特性試驗(yàn)，分析了摻氫和EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)參數(shù)的影響。隨著EGR率的增加，缸內(nèi)最高壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動(dòng)增加；缸內(nèi)最高壓力和最大壓力升高率與其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角之間的相關(guān)性減弱。隨著EGR率的增加，平均指示壓力的

5、循環(huán)變動(dòng)增加。EGR率對(duì)平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)的影響呈非線性趨勢(shì)。EGR率較小時(shí)，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)均保持很低值，摻氫比對(duì)循環(huán)變動(dòng)系數(shù)影響不大；EGR率較大時(shí)，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)明顯增加，此時(shí)增加摻氫比對(duì)降低循環(huán)變動(dòng)系數(shù)十分有效。對(duì)于給定的平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)，EGR率與摻氫比之間存在線性關(guān)系。摻氫比越高，允許使用的EGR率也越高。
　　(3)通過對(duì)天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)配合EGR的性能與排放特性研究，得到了摻氫和EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能

6、和排放特性的影響規(guī)律。有效熱效率隨EGR率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，在EGR為10％時(shí)達(dá)到最大值。隨著摻氫比的增加，NOx排放呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)；NOx排放隨EGR率的增加而明顯降低，這種降低效果在摻氫比大時(shí)更加明顯。HC排放隨EGR率的增加而增加，隨摻氫比的增加而降低。CO和CO2都隨EGR率的增加變化不大，隨摻氫比的增加而降低。研究發(fā)現(xiàn)，n=2000r/min時(shí)，摻氫比30%-40%，EGR率10%-20%可獲得最佳的性能和排放綜

7、合指標(biāo)；n=3000r/min時(shí)，摻氫比20%-40%，EGR率20%-30%可獲得最佳的性能和排放綜合指標(biāo)。天然氣摻氫結(jié)合EGR可實(shí)現(xiàn)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)高效低污染燃燒。
　　(4)在定容燃燒彈上利用高速紋影攝像系統(tǒng)，并結(jié)合Chemkin軟件，分別研究了甲烷和氫氣的層流預(yù)混燃燒特性和火焰穩(wěn)定性。當(dāng)稀釋度小于30%時(shí)，隨著稀釋度的增加，反應(yīng)區(qū)厚度和熱擴(kuò)散厚度增加不大，而預(yù)混區(qū)厚度的增加幅度很大。層流燃燒速度隨絕熱火焰溫度的增加呈指數(shù)升高

8、。絕熱火焰溫度對(duì)層流燃燒速度起主導(dǎo)作用，而熱擴(kuò)散系數(shù)起次要作用。層流燃燒速度取決于鏈分支反應(yīng)和鏈終止反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)。數(shù)值計(jì)算還得出層流燃燒速度的降低與H和OH自由基濃度的降低非常相關(guān)。當(dāng)H和OH自由基濃度超過10-3時(shí)，層流燃燒速度顯著升高。層流燃燒速度隨初始溫度的增加而升高，隨初始?jí)毫Φ脑黾佣陆?。其原因是壓力和溫度變化時(shí)，鏈分支反應(yīng)和鏈終止反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。鏈分支反應(yīng)是溫度敏感性的二體反應(yīng)，而鏈終止反應(yīng)是溫度不敏感的三體反應(yīng)。當(dāng)初始?jí)毫υ?/p>

9、大時(shí)，化學(xué)反應(yīng)總反應(yīng)級(jí)數(shù)先減小后增大。
　　(5)在定容燃燒彈上利用高速紋影攝像系統(tǒng)，并結(jié)合Chemkin軟件，研究了摻氫對(duì)甲烷-空氣層流預(yù)混燃燒特性和火焰穩(wěn)定性的影響。層流燃燒速度隨摻氫比的增大而增加，其最大值向濃混合氣方向移動(dòng)。摻氫比低于40%的區(qū)域?yàn)榧淄橹鲗?dǎo)燃燒區(qū)，層流燃燒速度隨摻氫比增加呈線性增加。當(dāng)摻氫比大于40%以后，層流燃燒速度隨摻氫比的增加呈指數(shù)增加。馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比的增加而增加，在大當(dāng)量比時(shí)尤為明顯。研究表明