收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

天然气-氢气混合燃料直喷燃烧特性和预混层流火焰研究

王金华  
【摘要】:随着化石燃料的日益短缺和排放法规的日趋严格,替代燃料清洁高效燃烧成为燃烧学和发动机研究领域的重要课题。天然气和氢气被认为是最有潜力的清洁替代燃料,天然气和氢气在发动机上使用时的一个很大的问题是其相对于汽油能量密度低,导致发动机功率下降。缸内直喷技术具有提高热效率和降低排放的潜力,气体燃料采用直喷燃烧方式可以提高充气效率,恢复功率。缸内直喷燃烧技术的难点在于在宽广的工况下实现理想的混合气分层分布非常困难,不合适的混合气分布将导致失火和缸内火焰传播过程出现局部淬熄,HC排放增加,同时在浓区NOx排放增加,在缸内直喷分层稀燃条件下,排气富氧,富氧环境下NOx转化很困难。氢气在宽广的空燃比条件下具有较高的层流火焰速率,掺混氢气可以提高天然气火焰传播速率和稀燃稳定性,从而提高直喷分层燃烧火焰传播过程稳定性。天然气-氢气混合燃料结合缸内直喷燃烧技术是实现发动机清洁高效燃烧的可行方式。本文围绕天然气-氢气混合燃料缸内直喷燃烧方式开展系统的燃烧基础研究,获得的主要创新性成果如下: (1)通过天然气-氢气混合燃料直喷发动机燃烧与排放特性试验研究得到了掺混氢气对直喷天然气发动机燃烧和排放特性影响的宏观规律。随着掺氢比的增加,中、低负荷下发动机有效热效率增加,大负荷下有效热效率高且不随掺氢比变化。随着掺氢比的增加,混合燃料放热率曲线上最大值相位提前,快速燃烧期缩短,放热率增加,缸内最高燃气平均温度、最大压力升高率和最大放热速率增加。此现象在低转速工况下更为明显,表明缸内气流速度较低时掺混氢气对提高混合燃料燃烧速率作用明显。随着掺氢比的增加,HC和CO2排放降低,大负荷下NOx排放增加,掺氢比大于20%后,NOx排放大幅增加。从性能和排放分析来看,本试验研究表明天然气-氢气混合燃料最佳掺氢比为20%左右。 (2)在定容弹上开展的高压天然气喷射射流特性试验研究得到了天然气高压喷射射流特性和射流与介质气体相互作用的特性。射流发展分为两个阶段,射流初期阶段和射流主体阶段。射流初期阶段,射流贯穿距离随时间快速增加,主体阶段,射流贯穿距离随时间呈线性增加。射流贯穿距离、射流体积和射流内整体过量空气系数随时间呈增加趋势,射流发展过程中射流锥角基本保持不变。随着喷射压力的提高,射流贯穿距离和体积增加,射流锥角减小,射流内整体过量空气系数增大。随着容弹背压的增加,射流贯穿距离和射流体积减小,射流锥角增加,射流内整体过量空气系数增大。 (3)在定容燃烧弹上开展的天然气-氢气混合燃料直喷燃烧特性试验研究得到了掺混氢气、湍流强度和混合气分层分布对天然气燃烧的影响规律。利用高速摄影纹影技术得到了火焰发展过程图片,同时采集了燃烧过程压力。研究结果表明:直喷燃烧火焰外围表现出不规则的强褶皱,火焰传播方向具有随机性,预混层流火焰外围为光滑的规则球型火焰。随着掺氢比增加,火焰形态更规则且更集中于点火电极。随着预混比的增加,混合气着火过程更稳定,火焰初始传播过程火核集中于点火电极。点火时刻提前(对应于强湍流强度)缩短了燃烧火焰发展期和主燃烧期。在稀燃条件下,对于直喷燃烧和预混层流燃烧,火焰发展期和主燃烧期均随掺氢比增加而缩短。在化学计量比混合气条件下,掺混氢气对燃烧过程影响不大。燃烧循环变动起始于火焰发展初期阶段,直喷燃烧方式由于混合气分层分布,因此能够实现低循环变动的稳定稀燃。循环变动随着掺氢比的增加而减小,这种趋势在稀燃工况(φ=0.6)下更加明显。在直喷燃烧方式下,由于混合气分层分布减弱了火焰发展初期阶段对后续燃烧过程的影响,因此燃烧特征参数间呈现较弱的关联性。天然气直喷燃烧速率随预混比增加而降低,随掺氢比增加而增加。部分预混直喷燃烧结合天然气-氢气混合燃料可以实现稳定的稀薄燃烧和快速燃烧。 (4)利用同步辐射真空紫外单光子电离结合分子束取样质谱技术开展了甲烷-氢气-氧气-氩气低压层流预混火焰实验研究,探测了火焰中间产物物种,定量测量了火焰主要产物和中间产物的摩尔分数分布曲线。质量数为15,26、28和42的中间产物分别对应CH3、C2H2、C2H4、和C2H2O。质量数为40的中间产物有两种同分异构体,分别为丙二烯和丙炔。质量数为44的中间产物也对应有两种同分异构体,分别为乙烯醇和乙醛。掺混氢气可以降低CO,CO2和未燃CH4摩尔分数。掺混氢气后实验测得的火焰中间产物摩尔分数均大幅减小,表明掺混氢气后火焰中H和OH摩尔分数增加,H的强扩散性和化学反应活性增大了火焰化学反应速率,以及掺混氢气后混合燃料H/C比值增加,使火焰碳基中间产物摩尔分数减小,有助于实现快速燃烧以及降低未燃及不完全燃烧排放物。掺氢比低于40%时,掺混氢气没有改变CH4燃烧主要化学反应路径,只是改变了火焰中基元反应的反应率。 (5)利用大型化学反应动力学模拟软件CHEMKIN子程序PREMIX,采用GRI 3.0化学反应机理开展了甲烷-氢气-空气一维平面预混火焰化学反应动力学模拟研究,表明掺混氢气增强甲烷燃烧化学反应是由于火焰中自由基H、O和OH随掺氢比增加而增加。CH2O和CH3CHO摩尔分数随掺氢比增加而降低,表明掺混氢气具有降低甲烷燃烧醛类排放的潜力。掺混氢气将使甲烷燃烧化学反应向低碳路径移动,这具有降低碳烟排放的潜力。掺混氢气对甲烷燃烧反应过程中NO生成化学反应途径影响不大。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 曹杰;王铁;冯丹华;冯星;郭鹏;王娜;;二甲醚柴油混合燃料D40燃烧与排放的试验研究[J];小型内燃机与摩托车;2011年04期
2 朱建军;王铁;张翠平;;柴油机燃用醇醚-柴油混合燃料的燃烧特性与排放的试验研究[J];汽车工程;2011年09期
3 苏岩;韩立伟;段伟;员杰;洪伟;李学军;;直喷汽油机热机起动首循环着火特性[J];内燃机学报;2011年04期
4 高峰;;生物质燃料的新用途[J];农业工程技术(新能源产业);2011年08期
5 刘亦夫;刘兵;曾科;周磊;孙璐;;缸内直喷天然气/氢气混合燃料配合废气再循环的性能与排放[J];西安交通大学学报;2011年07期
6 罗景锋;刘小锋;任恒英;;替代燃料的研究与应用[J];国际航空;2010年03期
7 冯丹华;王铁;冯星;曹杰;郭鹏;王娜;;甲醇柴油对增压中冷柴油机燃烧与排放性能的影响[J];小型内燃机与摩托车;2011年04期
8 高越;;航空燃料的新成员[J];交通与运输;2011年04期
9 ;强调高配的速度机器 2012款Mercedes-Benz CLS550[J];家用汽车;2011年07期
10 张维东;云智明;;CFB锅炉掺烧油灰渣的研究与应用[J];内蒙古科技与经济;2011年16期
11 ;千万欧宝[J];汽车商业评论;2008年06期
12 张弛;林宇震;许全宏;;国内外航空替代燃料的研究状况分析与思考[J];国际航空;2010年06期
13 Amanda M.Klemp;苏明;;EMD公司进行机车使用生物柴油混合燃料试验[J];国外内燃机车;2011年04期
14 胡志远;谭丕强;楼狄明;;共轨柴油机燃用麻疯树制生物柴油的环境排放特性[J];内燃机工程;2011年04期
15 陈福洲;庞宏磊;付雷;陈锴;;甲醇裂解气-柴油混合燃料对柴油机排放的影响[J];起重运输机械;2011年08期
16 谭丕强;张同;胡志远;楼狄明;;GTL燃料发动机的性能及排放特性[J];车用发动机;2011年04期
17 吴长水;李聪;陈凌珊;;天然气掺氢发动机的性能研究[J];小型内燃机与摩托车;2011年03期
18 ;奥迪R8 SPYDER敞篷跑车上市[J];世界汽车;2011年08期
19 周明;沈颖刚;梁友才;林玉珍;李耀平;;不同大气压力和生物柴油/柴油掺混比对柴油机噪声的影响[J];内燃机车;2011年09期
20 雨珊;;生物燃料在争议中前行[J];低碳世界;2011年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王运超;介石磊;;甲醇/汽油混合燃料在汽油机上的应用性能研究[A];第三届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集[C];2006年
2 孔祥忠;贺国珠;周丰群;罗均华;易艳玲;拓飞;;铀—钍混合燃料反应堆的可行性研究[A];第二届全国反应堆物理与核材料学术研讨会论文集[C];2005年
3 王运超;介石磊;;甲醇/汽油混合燃料在汽油机上的应用性能研究[A];第三届河南省汽车工程科技学术研讨会暨2006年省汽学会理事会议资料[C];2006年
4 韩志强;黄海波;王永忠;贺文江;;基于正交试验设计的柴油混合燃料的掺烧比例研究[A];2007年汽车学术年会论文集[C];2007年
5 邓树森;;制造技术与激光加工[A];第十届中国科协年会专题论坛特邀报告集[C];2008年
6 张斌;赵书俊;郭茂田;何金田;;工业用煤成份定量分析系统的设计原理[A];第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(上册)[C];2008年
7 张斌;赵书俊;郭茂田;何金田;;工业用煤成份定量分析系统的设计原理[A];第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(1)[C];2008年
8 陈仪煜;刚直;赵金坤;喻宏;;600MWe快堆转换钍的堆芯方案分析[A];第十二届反应堆数值计算与粒子输运学术会议论文集[C];2008年
9 毛宗强;;通向氢能经济的桥梁——从“浅氢”到“全氢”[A];第七届全国氢能学术会议论文集[C];2006年
10 楼狄明;毛丽娟;胡志远;谭丕强;邓晓光;祝勇;;基于天然气制油车用柴油机的温室气体研究[A];第十五届全国大功率柴油机学术会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王金华;天然气-氢气混合燃料直喷燃烧特性和预混层流火焰研究[D];西安交通大学;2009年
2 李方成;醇类/柴油混合燃料羰基化合物排放特性及生成机理的研究[D];天津大学;2010年
3 任毅;柴油机燃用柴油-含氧化合物混合燃料燃烧与排放研究[D];西安交通大学;2007年
4 祁东辉;混合喷射液化石油气/柴油双燃料发动机的研究[D];长安大学;2003年
5 谭满志;替代燃料理化性质对柴油机燃烧和排放特性的影响规律[D];吉林大学;2012年
6 李军旗;高炉喷吹煤与废塑料混合燃料的应用基础研究[D];昆明理工大学;2007年
7 耿莉敏;生物柴油/柴油混合燃料的理化性能分析与喷雾特性改善[D];长安大学;2009年
8 吉丽斌;基于燃料设计与管理的复合HCCI燃烧的试验研究[D];上海交通大学;2011年
9 陈昊;生物柴油/柴油混合燃料及生物柴油掺水微乳化燃料性能研究[D];长安大学;2008年
10 侯军兴;二甲醚—生物柴油混合燃料喷射及发动机燃烧研究[D];上海交通大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 崔淑华;醇汽油混合燃料发动机性能应用试验研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 冯丹华;非标柴油/二甲醚混合燃料在增压柴油机上的应用研究[D];太原理工大学;2011年
3 潘永方;直喷式柴油机燃用甲醇—柴油混合燃料的性能研究[D];河南科技大学;2010年
4 杜标;乘用车柴油机燃用丁醇柴油混合燃料的试验研究[D];湖南大学;2011年
5 李文;二甲醚柴油混合燃料燃油系统性能的试验研究[D];太原理工大学;2010年
6 曹杰;粗二甲醚柴油混合燃料燃烧与排放的研究[D];太原理工大学;2011年
7 柳茂斌;醇类汽油混合燃料发动机的燃烧特性研究[D];天津大学;2010年
8 都成君;多孔喷油器使用醇类-汽油混合燃料时的喷油特性研究[D];天津大学;2012年
9 梁晨;二甲醚混合燃料点燃式发动机性能的试验研究[D];北京工业大学;2010年
10 郭鹏;柴油机燃用甲醇柴油混合燃料的仿真分析[D];太原理工大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 张新生;巴西混合燃料车减排废气1.22亿吨[N];科技日报;2011年
2 本报记者 武跃;燃油直喷技术:传统动力的绿色提升[N];国际商报;2011年
3 木水;窄角直喷技术把柴油机推向欧Ⅴ[N];中国汽车报;2004年
4 记者 张新生;巴西推出冷启动混合燃料汽车[N];科技日报;2009年
5 美国《华盛顿观察》周刊 刘勇;B—1换口粮 美军加速推动“代用燃料”[N];世界报;2008年
6 郎楷淳;全球汽车巨头逐鹿节能汽车市场[N];中国商报;2004年
7 ;英特尔推动笔记本电脑用混合燃料电池[N];计算机世界;2004年
8 ;智能助手:停车可以不靠人[N];新华每日电讯;2004年
9 本报记者 张倩;共轨直喷进入中国,柴油乘用车技术升级[N];机电商报;2005年
10 倪永华;德科学家发明油水混合燃料[N];科技日报;2004年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978