天然气—氢气混合燃料结合EGR的发动机和预混层流燃烧研究

【摘要】：随着世界能源形势的紧张和环保要求的日益严格,发动机清洁替代燃料的研究越来越多地受到人们的关注。天然气由于其储量大、有害排放低、燃料辛烷值高、价格便宜等优点,使之在城市公交系统获得广泛的应用。同时由于天然气是气体燃料,在发动机上使用时仍存在以下缺点:火焰传播速度慢,密度小,着火范围窄,燃烧时间长,放热过程等容度低,发动机热效率低等。同天然气相比,氢气具有火焰传播速率快,可燃范围宽,点火能量低,排气中无含碳污染物且可再生等优点。因此,天然气掺氢成为发动机研究的一大热点。目前有很多学者对天然气掺氢在发动机上燃烧开展了研究工作并取得了一些成果,但是,天然气掺氢燃料发动机燃烧仍存在一些问题,其中最突出的问题是掺氢之后NOx排放较高。废气再循环(EGR)作为一种降低NOx的主要途径,引入后可有效降低天然气掺氢发动机的NOx排放。 本文在国家973项目、863计划和国家自然科学基金的资助下,系统地开展了天然气-氢气混合燃料结合废气再循环(EGR)发动机和预混层流燃烧的研究。通过发动机试验、定容燃烧弹试验和化学反应动力学分析,将研究工作由定性发展为定量,由宏观深入到微观,由实验现象到机理分析,为天然气掺氢混合燃料发动机的研究与应用提供了理论和试验支撑。研究具有重要的学术价值和工程指导价值。获得的主要创新成果如下: (1)通过天然气掺氢发动机结合EGR的燃烧特性的试验研究,得到了掺氢和EGR对天然气发动机燃烧特性影响的宏观规律。最佳点火提前角随着EGR率的增加而提前,随着掺氢比的增加而推迟。掺氢比一定时,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期均随EGR率的增加而增加;随掺氢比的增加而缩短。研究发现,天然气掺氢对火焰发展期的降低率大于对快速燃烧期的降低率。 (2)通过对天然气掺氢发动机结合EGR的循环变动特性试验,分析了掺氢和EGR对天然气发动机循环变动参数的影响。随着EGR率的增加,缸内最高压力和最大压力升高率的循环变动增加;缸内最高压力和最大压力升高率与其对应的曲轴转角之间的相关性减弱。随着EGR率的增加,平均指示压力的循环变动增加。EGR率对平均指示压力的循环变动系数的影响呈非线性趋势。EGR率较小时,循环变动系数均保持很低值,掺氢比对循环变动系数影响不大;EGR率较大时,循环变动系数明显增加,此时增加掺氢比对降低循环变动系数十分有效。对于给定的平均指示压力的循环变动系数,EGR率与掺氢比之间存在线性关系。掺氢比越高,允许使用的EGR率也越高。 (3)通过对天然气掺氢发动机配合EGR的性能与排放特性研究,得到了掺氢和EGR对天然气发动机性能和排放特性的影响规律。有效热效率随EGR率的增加呈现先增加后降低的现象,在EGR为10%时达到最大值。随着掺氢比的增加,NOx排放呈现出增加的趋势;NOx排放随EGR率的增加而明显降低,这种降低效果在掺氢比大时更加明显。HC排放随EGR率的增加而增加,随掺氢比的增加而降低。CO和CO2都随EGR率的增加变化不大,随掺氢比的增加而降低。研究发现,n=2000 r/min时,掺氢比30%-40%,EGR率10%-20%可获得最佳的性能和排放综合指标;n=3000 r/min时,掺氢比20%-40%,EGR率20%-30%可获得最佳的性能和排放综合指标。天然气掺氢结合EGR可实现火花点火发动机高效低污染燃烧。 (4)在定容燃烧弹上利用高速纹影摄像系统,并结合Chemkin软件,分别研究了甲烷和氢气的层流预混燃烧特性和火焰稳定性。当稀释度小于30%时,随着稀释度的增加,反应区厚度和热扩散厚度增加不大,而预混区厚度的增加幅度很大。层流燃烧速度随绝热火焰温度的增加呈指数升高。绝热火焰温度对层流燃烧速度起主导作用,而热扩散系数起次要作用。层流燃烧速度取决于链分支反应和链终止反应的竞争。数值计算还得出层流燃烧速度的降低与H和OH自由基浓度的降低非常相关。当H和OH自由基浓度超过10-3时,层流燃烧速度显著升高。层流燃烧速度随初始温度的增加而升高,随初始压力的增加而下降。其原因是压力和温度变化时,链分支反应和链终止反应的竞争结果。链分支反应是温度敏感性的二体反应,而链终止反应是温度不敏感的三体反应。当初始压力增大时,化学反应总反应级数先减小后增大。 (5)在定容燃烧弹上利用高速纹影摄像系统,并结合Chemkin软件,研究了掺氢对甲烷-空气层流预混燃烧特性和火焰稳定性的影响。层流燃烧速度随掺氢比的增大而增加,其最大值向浓混合气方向移动。掺氢比低于40%的区域为甲烷主导燃烧区,层流燃烧速度随掺氢比增加呈线性增加。当掺氢比大于40%以后,层流燃烧速度随掺氢比的增加呈指数增加。马克斯坦长度随当量比的增加而增加,在大当量比时尤为明显。研究表明,随着掺氢比的增加,热扩散不稳定性和流体动力学不稳定性都增强,火焰前锋面出现细胞状结构的时刻提前。随着氢气的加入,火焰中H,O和OH自由基浓度增加,导致化学反应增强和层流燃烧速度的升高。层流燃烧速度与火焰中H和OH自由基浓度之间存在紧密的相关关系,高的层流燃烧速度对应着高的自由基浓度。 【关键词】：天然气 氢气 废气再循环(EGR) 层流燃烧速度 化学反应动力学
【学位授予单位】：西安交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK431
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-15
• 1 绪论15-25
• 1.1 选题背景15-16
• 1.2 天然气和氢气作为内燃机燃料的优缺点16-21
• 1.2.1 天然气16-18
• 1.2.2 氢气18-19
• 1.2.3 天然气-氢气混合燃料的优势和研究现状19-21
• 1.3 预混层流基础燃烧的研究意义和研究方法21-24
• 1.3.1 预混层流基础燃烧的研究意义21-22
• 1.3.2 预混层流基础燃烧的研究方法22-24
• 1.4 本文的主要研究内容24-25
• 上篇：天然气-氢气混合燃料结合EGR 的发动机研究25-63
• 2 发动机试验台架和试验方法26-39
• 2.1 试验台架及测试设备26-30
• 2.2 试验燃料配置和试验方法30-33
• 2.3 试验数据处理方法33-39
• 2.3.1 发动机缸内燃烧过程放热率计算33-35
• 2.3.2 采用R-W 方法计算已燃质量百分比35-37
• 2.3.3 当量天然气有效燃油消耗率和有效热效率37-39
• 3 天然气掺氢发动机结合EGR 的燃烧特性分析39-45
• 3.1 天然气掺氢发动机结合EGR 的最佳点火提前角优化39-40
• 3.2 掺氢比和EGR 率对放热率的影响40-42
• 3.3 掺氢比和EGR 率对火焰发展期、快速燃烧期和总燃烧期的影响42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 天然气掺氢发动机结合EGR 的循环变动特性研究45-54
• 4.1 表征参数的筛选45-46
• 4.2 压力相关参数的循环变动分析46-50
• 4.3 平均指示压力的分布及循环变动分析50-53
• 4.4 本章小结53-54
• 5 天然气掺氢发动机结合EGR 的性能和排放特性研究54-63
• 5.1 掺氢比和EGR 率对发动机动力性的影响54-55
• 5.2 掺氢比和EGR 率对有效热效率的影响55-56
• 5.3 掺氢比和EGR 率对发动机排放特性的影响56-60
• 5.3.1 NOx 排放56-57
• 5.3.2 HC 排放57-59
• 5.3.3 CO 排放59
• 5.3.4 C0_2 排放59-60
• 5.4 掺氢和EGR 对发动机性能和排放影响的综合分析60-61
• 5.5 本章小结61-63
• 下篇：甲烷-氢气-稀释气混合气的预混层流燃烧基础研究63-137
• 6 层流燃烧速度的实验方法和计算方法64-74
• 6.1 实验装置及试验系统布置64-65
• 6.2 实验燃料性质及混合气的配制65-67
• 6.3 球形扩展火焰理论67-72
• 6.3.1 层流燃烧速度和马克斯坦长度67-69
• 6.3.2 火焰稳定性及其参数分析69-72
• 6.4 计算方法和反应机理72-74
• 7 甲烷-空气-稀释气层流预混燃烧基础研究和火焰稳定性分析74-98
• 7.1 稀释气对甲烷-空气混合气层流燃烧速度和火焰稳定性的影响74-88
• 7.1.1 火焰与拉伸的相互作用74-76
• 7.1.2 无拉伸火焰传播速度和层流燃烧速度76-79
• 7.1.3 物理和化学参数对层流燃烧速度的影响79-81
• 7.1.4 火焰稳定性分析81-83
• 7.1.5 火焰结构83-85
• 7.1.6 H 和OH 自由基特性85-86
• 7.1.7 敏感性分析86-88
• 7.2 温度和压力对层流燃烧速度和火焰稳定性的影响88-96
• 7.2.1 火焰传播速度和马克斯坦长度88-90
• 7.2.2 层流燃烧速度90-91
• 7.2.3 总反应级数91-93
• 7.2.4 敏感性分析93-94
• 7.2.5 反应速率分析94-95
• 7.2.6 层流燃烧速度的拟合95-96
• 7.3 本章小结96-98
• 8 氢气-空气-稀释气层流预混燃烧基础研究和火焰稳定性分析98-118
• 8.1 稀释气对层流燃烧速度和火焰稳定性的影响98-106
• 8.1.1 火焰传播速度和马克斯坦长度98-102
• 8.1.2 火焰稳定性和火焰前锋面结构102-105
• 8.1.3 层流燃烧速度105-106
• 8.2 温度和压力对层流燃烧速度和火焰稳定性的影响106-117
• 8.2.1 火焰传播速度和马克斯坦长度106-108
• 8.2.2 层流燃烧速度108-109
• 8.2.3 火焰稳定性和胞状结构109-111
• 8.2.4 总反应级数111-112
• 8.2.5 敏感性分析112-113
• 8.2.6 基元反应的反应速率分析113-114
• 8.2.7 火焰结构和中间自由基特性114-115
• 8.2.8 层流燃烧速度拟合115-117
• 8.3 本章小结117-118
• 9 甲烷-氢气-空气层流预混基础燃烧研究和火焰稳定性分析118-132
• 9.1 掺氢比对层流燃烧速度和火焰稳定性的影响118-124
• 9.1.1 火焰传播速度和马克斯坦长度118-120
• 9.1.2 层流燃烧速度120-122
• 9.1.3 火焰结构122
• 9.1.4 H 和OH 自由基特性122-124
• 9.2 温度和压力对层流燃烧速度和火焰稳定性的影响124-131
• 9.2.1 火焰传播速度和马克斯坦长度124-126
• 9.2.2 火焰稳定性和胞状结构126-129
• 9.2.3 层流燃烧速度129
• 9.2.4 火焰结构和自由基特性129-131
• 9.3 本章小结131-132
• 10 结论与展望132-137
• 10.1 全文总结132-135
• 10.2 工作展望135-137
• 参考文献137-143
• 致谢143-144
• 攻读学位期间取得的研究成果144-146

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