直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性.docx

第 40 卷第 9 期西安交通大学学报9Vol . 40J O U RN AL O F XIA N J IA O TO N G U N IV ER SI T Y2006 年 9 月Sep . 2006直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性王金华 , 黄佐华 , 刘兵 , 曾科 , 余金荣 , 蒋德明(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 , 710049 , 西安)摘要 : 开展了缸内直喷火花点火发动机燃用天然气掺氢混合燃料燃烧特性和放热过程的试验研究. 研究结果表明 :在给定喷射脉宽条件下 ,天然气掺氢比小时 ,燃烧放热率低 ,当氢气的体积分数 达到 10 %18 %后 ,对提高混合燃料发动机燃烧速率有明显效果 ; 火焰发展期、快速燃烧期 、燃烧持续期和放热率曲线型心位置对应的曲轴转角随掺氢比增加呈先增加后减小趋势 ,当氢气的体积分数达到 18 %时可以缩短火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期 ,放热率曲线型心位置对应的曲 轴转角靠近上止点 ;缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度 、最大压力升高率和最高放热率随掺氢 比的增加呈先减小后增加趋势 ;天然气掺氢燃烧特性在低转速时比在高转速时受掺氢比的影响大.关键词 : 天然气 ;氢气 ;燃烧 ;缸内直喷 ;发动机中图分类号 : T K4311 2 文献标识码 : A 文章编号 : 0253987 X (2006) 09100105Combust ion Characterist ics of a Direct Inject ion Engine Fueled wit hNatural Ga s/ Hydrogen Blen dsWa ng J i nh ua , H ua ng Zuo h ua , Li u Bi ng , Ze ng Ke , Yu J i nro ng , J ia ng De mi ng( St at e Key L a bo rato r y of Multip ha se Flo w i n Po wer Engi neeri ng , Xia n J iao to ng U niver sit y , Xia n 710049 , Chi na)Abstract : The e xp eri me nt al i nve sti gatio n to co mb u stio n cha ract eri stic s a nd heat relea se p roce ss i na di rect i njectio n sp a r k2i gnit ed e ngi ne f ueled wit h nat ural ga s/ hydro ge n ble nd s wa s e xecut e d. Fo r a fi xe d f uel i njectio n duratio n , t he re sult s sho w t hat t he heat relea se rat e decrea se s wit h t he i n2crea se of ( H2 )a s ( H2 )( t he hydro ge n vol u me f ractio n)i s smaller , a nd i ncrea se s wit h t he i n2crea se of ( H2 ) a s ( H2 ) i s o ver 10 %. So o nl y ( H2 ) reac he s a cer t ai n level , t he co mb u stio n ca nbe i mp ro ved. The f la me develop me nt duratio n , t he rapi d co mbu stio n duratio n a nd t he to t al co m2b u stio n duratio n i ncrea se wit h t he i ncrea se of ( H2 ) w he n ( H2 )i s le ss t ha n 10 % a nd decrea sew he n ( H2 )i ncrea se s f ro m 10 % to 18 %. The cra nk a ngle of t he ce nt e r of heat relea se c ur vemo ve s ap a r t f ro m t he top2dea d2ce nt er wit h t he i ncrea si ng( H2 ) a nd get s nea r t he top2dea d2ce nt era s ( H2 ) reache s to 18 %. The ma xi mum cyli nde r ga s p re ssure , t he ma xi mum mea n ga s t e mp e ra2 t ure , t he ma xi mum rat e of p re ssure ri se a nd t he ma xi mu m heat relea se rat e decrea se wit h t he i n2 crea se of ( H2 ) w he n ( H2 ) i s le ss t ha n 10 % , a nd t hey i ncrea se wit h t he i ncrea se of ( H2 ) w he n ( H2 ) i ncrea se s f ro m 10 % to 18 %. The i nve sti gatio n sho w s t hat t he i nf l ue nce s of hydro2 ge n a dditio n o n nat ural ga s/ hydro ge n mi xt ure co mbu stio n a re mo re o bvio u s at lo w e ngi ne sp ee dt ha n t ho se at hi gh e ngi ne sp eed .Key words : nat ural ga s ; hydro ge n ; co mb u stio n ; di rect i njectio n ; e ngi ne收稿日期 : 20050818 . 作者简介 : 王金华 (1981) ,男 ,博士生 ; 黄佐华 ( 联系人) ,男 ,教授 ,博士生导师. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50422261) ;国家基础研究发展计划资助项目 (2003CB214501) ;优秀国家重点实验室研究资助项 目 (50323001) .西 安 交 通大 学 学报第 40 卷1002寻找替代燃料和降低排放是当前内燃机研究的两个重要课题. 天然气和氢气被认为是最有潜力的 发动机替代燃料. 由于氢气制备成本高和氢气发动 机技术方面的原因 ,天然气掺氢混合燃料将是氢能 在发动机上应用最有前途和最具可行性的方式 16 . 文献 7 对直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃 料的性能和排放特性进行了试验研究 ,结果表明掺 混少量氢气可以提高发动机性能 ,降低排放. 为了深 入认识掺氢对天然气掺氢混合燃料燃烧过程的影 响 ,为混合燃料在实际发动机上的应用提供理论支 撑 ,本文在一台试验用单缸直喷发动机上对天然气 掺氢混合燃料 (氢气的体积分数为 0 %18 %) 的燃 烧特性和放热规律进行了研究 ,以阐明掺混少量氢气对天然气直喷发动机燃烧特性的影响规律.表 1发动机试验工况参数工况编号转速/ r min - 1喷射提前角/ ()喷射脉宽/ ms点火提前角/ ()11 200166161 56151 96161 56171 56181 76151 40151 00151 80161 36191 36271 5291 0321 5341 5341 5421 5431 0431 5441 0441 021 20017034561 2001 2001 2001 80018018419023071 80023681 80023691 800250101 800270试验装置及试验方法试验发动机台架布置和混合燃料配置与文献 7 的试验研究相同 ,用瑞士 KIS TL ER 公司的角标 器和石英压力传感器测量缸内压力 ,用奥地利 A VL 公司 A VL 619 燃烧分析仪采集缸内压力.本文首先进行了纯天然气发动机试验 ,调整各 试验工况的点火提前角到最佳点火提前角 ,然后对 氢气的体积分数为 0 % 、5 % 、10 %和 18 %的 4 种混合燃料在相同的转速 、喷射提前角、喷射脉宽和点火 提前角下进行了对比试验. 试验时节气门开度固定 为 70 % ,水温保持 70 . 具体的试验工况控制参数 由表 1 给出. 对于同一试验工况 ,即使不同混合燃料 中掺氢比 (混合燃料中氢气的体积分数) 不同 ,但发动机工作时燃料喷射提前角 、喷射脉宽和点火提前 角都保持同一数值.1本文燃烧放热率计算采用零维热力学模型 8 .由图 2 可以看出 : 在 1 200 r/ mi n 时 ,当氢气的体积 分数小于 10 %时 ,混合燃料放热率随掺氢比增加而下降 ;当氢气的体积分数达到 18 %时 , 放热率随掺 氢比增加而增加 ,但仍低于纯天然气的水平. 这是因 为 ,掺混少量氢气对缸内混合气燃烧过程改善有限 ,掺氢后混合燃料的热值降低 ,缸内混合气变稀 ,导致燃烧放热率降低. 当氢气的体积分数达到 18 %时 , 对燃烧性能改善明显 ,放热率开始增大 ,但仍不能弥 补热值降低的影响 ,放热率仍低于纯天然气的水平.从图 2 还可以看出 ,低转速时掺氢对燃烧放热率的影响比高转速时大 ,这是由于高转速时缸内气流运 动强 ,混合气燃烧速率快 , 掺氢对燃烧速率影响不大. 低转速时不同掺氢比混合燃料燃烧初期相位呈 现较大差别 ,掺氢比低时燃烧初期相位与天然气相比有明显滞后现象 ,而氢气的体积分数较大 ( 18 %)时 ,燃烧初期相位与天然气基本相同. 在高转速时 , 燃烧初期相位基本相同 ,掺氢对燃烧初期放热速率 的影响较小.由图 3 可以看出 ,燃烧持续期在掺氢比较小时 随天然气中掺氢比例的增加而增加 ,当氢气的体积分数大于 10 %时 ,燃烧持续期随掺氢比的增加而缩 短 ,表明掺氢量达到一定比例后才能显著改善混合燃料燃烧过程.由图 4 可以看出 ,当氢气的体积分数小于 10 %时 ,放热率型心位置对应的曲轴转角随掺氢比的增 加而增大 ,表明掺混少量氢气时燃烧整体放热过程延迟 ,燃烧过程的定容度下降. 当氢气的体积分数达试验结果及分析由图 1 可以看出 ,缸内整体过量空气系数随 掺氢比增大而增大 ,掺氢后缸内混合气变稀. 试验中 节气门开度固定 ,不同混合燃料在相同转速、相同的 喷射脉宽条件下 ,发动机吸入的空气量和喷入的燃 料量基本相同 ,由于氢气理论空燃比比天然气小 ,掺 混氢气后混合气增加 ,混合气变稀 ,当氢气的体积 分数为 5 % 、10 %和 18 %时 ,分别增加 4 % 、8 %和15 % ,而掺氢后混合燃料的热值下降 ,表明在不改变 发动机控制参数的情况下 ,除非掺氢对发动机燃烧 有明显改善 ,否则掺氢后发动机在相同的喷射提前 角、喷射脉宽和点火提前角下燃烧放热率和功率输出将下降.2 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 9 期王金华 ,等 : 直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性1003(a) n = 1 200 r/ min图 1( b) n = 1 800 r/ min不同掺氢比下的缸内整体过量空气系数(a) 工况 2( b) 工况 5(c) 工况 7( d) 工况 10图 2 不同掺氢比下的混合燃料放热率曲线(a) n = 1 200 r/ min( b) n = 1 800 r/ min图 3不同掺氢比下的燃烧持续期(a) n = 1 200 r/ min( b) n = 1 800 r/ min图 4不同掺氢比下的放热率型心 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 西 安 交 通大 学 学 报第 40 卷1004到 18 %时 ,掺氢对提高混合气燃烧速率作用显著 ,燃烧整体放热过程靠近上止点 ,燃烧过程的定容度 提高. 在高转速下 ,缸内气流运动增强 ,燃烧放热率曲线随掺氢比变化很小. 因此 ,放热率型心位置对应的曲轴转角基本上不随天然气中掺氢比的增加而改 变.由图 5 、图 6 可以看出 ,缸内最高燃烧压力和最高燃气平均温度随掺氢比变化规律相同 ,都随掺氢比的增加呈现出先减小后增大的趋势. 当掺氢比较 小时 ,由于掺氢后混合气热值下降和燃烧期增加 ,放热率曲线型心位置推迟 ,造成缸内最高压力和最高燃气平均温度降低. 当掺氢比例较大时 ,加快燃烧速 率使缸内最高压力和最高燃气平均温度增加.由图7 、图8可以看出 ,最大压力升高率和最高(a) n = 1 200 r/ min图 5( b) n = 1 800 r/ min不同掺氢比下的缸内最高燃烧压力(a) n = 1 200 r/ min图 6( b) n = 1 800 r/ min不同掺氢比下的缸内最高燃气平均温度(a) n = 1 200 r/ min图 7( b) n = 1 800 r/ min不同掺氢比下的最大压力升高率(a) n = 1 200 r/ min( b) n = 1 800 r/ min图 8 不同掺氢比下的放热率峰值 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 9 期王金华 ,等 : 直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性1005放热率随掺氢比变化规律相同 ,都随掺氢比的增加呈现出先减小后增大的现象. 与上述放热过程和燃 烧持续期的分析一样 ,放热率随天然气掺氢比的变化规律造成在给定喷射脉宽下最大压力升高率数值和最大放热率数值随掺氢比先减小后增大的现象 ,此现象在低转速下比高转速下更加明显. 2 A kansu S O , Dulger A , Kahra ma n N , et al . Inter nalco mbustio n engine s f ueled by nat ural ga s2hydro gen mixt ure sJ . Inter natio nal J o ur nal of Hydro gen Ener2 gy , 2004 , 29 (4) : 15271539 .Bauer C G , Fo rest T W. Eff ect of hydro gen additio n o n t he p erfo r ma nce of met ha ne2f ueled vehicle s. Pa rt I : eff ect o n S I engine perfo r ma nce J . Inter natio nal J o ur nal of Hydro gen Ener gy , 2001 , 26 (1) :5570 . Shudo T , Shimamura K , Nakajima Y. Co mbustio n a nd emi ssio ns in a met ha ne st ratified cha r ge engine wit h hydro gen p re2mixing J . J SA E Review , 2000 ,21 (1) :37 .Sierens R , Ro sseel E. Va ria ble co mpo sitio n hydro gen/ nat ural ga s mixt ure s fo r increa sed engi ne efficiency and decrea sed emi ssio ns J . A SM E J o ur nal of Engineering fo r Ga s Tur bines and Po wer , 2000 , 122 (1) : 135140 .黄佐华 ,王金华 ,黄印玉 ,等. 氢能在燃烧发动机上利用的研究综述 EB/ OL . ( 20050610 ) 20060810 中国 科 技 论 文 在 线 , ht tp : www . pap er . edu. cn/p roce ss/ do wnload. j sp ? file = 20050610 .王金华 ,黄佐华 ,刘兵 ,等. 缸内直喷发动机燃用天然 气掺氢混合燃料的性能和排放 J . 西安交通大学学 报 ,2006 ,40 (5) :522526 .周龙保. 高等内燃机原理 M . 2 版. 北京 : 机械工业 出版社 ,2005 : 4245 ,8889 . 3 结论3 4 (1) 在给定喷射脉宽条件下 ,