论文部分内容阅读
由于CO2减排以及化石能源安全供给问题，如何使发动机提高热效率、改善燃油经济性和降低排放污染等依然是研究的重点。同时，面向未来使用氢气作为清洁的代用燃料也受到广泛关注，其优势在于燃烧产物只有水，且燃烧热值高。氩气循环氢气发动机则是使用氩气作为循环工质的一种氢气发动机，加入比热比更高的单原子气体氩气不仅可以进一步提高热效率，还不会产生NOX，更加高效清洁。但氢气存在易燃易爆的特性，在发动机中容易早燃并引发爆震，因此需要对其最小点火能量和滞燃期等特性进行研究，进而为氩气循环发动机提供基础燃烧数据和理论参考。
本文基于定容燃烧弹和电容放电点火系统对氢气在初始压力0.1MPa、初始温度287K的空气中燃烧的最小点火能量、纹影图像和滞燃期进行了试验并与氩氧氛围的试验加以比较，基于此开展了氩氧氛围下不同λ、不同初始压力以及不同氩氧比例的研究，并为面向高压缩比的氢气发动机研究了CO2氧气氛围中不同CO2比例和初始压力之间的区别并与氩氧氛围加以对比。在对滞燃期的研究中，为了更加接近实际发动机中的环境，基于Chemkin进行了初始温度1000K-1600K的模拟仿真并讨论了燃烧中间基元反应的温度敏感性的变化。
研究发现氢气在空气和氩氧氛围中燃烧时，最小点火能量均随着λ增大而增大，平均火焰速度随着λ增大明显减小；氩氧氛围中的最小点火能量相比空气氛围中有显著减小，平均火焰传播速度显著增大；室温下的滞燃期随λ增大而增大，且氩氧氛围相比空气的滞燃期明显缩短，同时燃烧压力显著增大；在高温的滞燃期模拟中，氩氧氛围相比空气有略微的缩短，但两者活化能相差不大，且在氩氧氛围中起到正效果的基元反应H+O2?O+OH的温度敏感性有所提升，起负效果的基元反应H+O2(+M)?HO2(+M)的温度敏感性有所降低。
在氩氧氛围中，随着混合气初始压力由0.1MPa增加到0.5MPa，氢气燃烧的最小点火能量逐渐增加，且在高初始压力下依然有着随λ增大而增大的规律；火焰的平均火焰传播速度也随着初始压力的提高而增加；室温下的滞燃期随着初始压力的增加而缩短；高温的滞燃期模拟中将初始压力拓展到1MPa，发现在1600K附近不同压力的活化能相近，初始压力增加会使得滞燃期缩短，而到了1000K附近则是初始压力高时活化能更高，滞燃期更长。各个基元反应的温度敏感性在初始压力提高后均有大幅度的增加，基元反应H+O2?O+OH和H+O2(+M)?HO2(+M)仍然是正负两方面敏感性最高的反应，但高压时基元反应H2O2(+M)?2OH(+M)和H2O2+H?H2+HO2的温度敏感性也提升到与前两者同一数量级的水平。
通过改变氩氧比例，发现随着氩气比例的增加，由于氢气浓度的下降，混合气的最小点火能量有明显增加，且平均火焰传播速度也明显降低，同时在88%氩气时出现了明显的火焰面上浮现象；室温下的滞燃期试验表明，氩气比例的增加会显著延长滞燃期，降低燃烧压力，在高温的滞燃期仿真中也是一样的规律，滞燃期随着氩气比例增加而增加，同时三种氩气比例下的活化能基本相当；基元反应的温度敏感性也体现出随着氩气比例增加而降低的趋势，反应H+O2?O+OH和H+O2(+M)?HO2(+M)仍然是温度敏感度最高的两个反应。
将工质气体中的氩气完全替换为CO2之后，对比不同比例的CO2气体和氩气的环境发现，两种CO2气体的最小点火能量都显著高于氩气环境，79%氩气混合气的平均火焰传播速度明显大于CO2混合气，79%CO2的火焰出现了火焰面上浮现象。70%CO2混合气的平均火焰传播速度随着初始压力的增加，会出现先增大后减小的变化趋势；室温试验中还发现使用CO2作为工质会对滞燃期有明显的延长效果，且CO2的比例越高滞燃期越长，燃烧压力方面在使用CO2作为工质之后也有显著的降低。
本文基于定容燃烧弹和电容放电点火系统对氢气在初始压力0.1MPa、初始温度287K的空气中燃烧的最小点火能量、纹影图像和滞燃期进行了试验并与氩氧氛围的试验加以比较，基于此开展了氩氧氛围下不同λ、不同初始压力以及不同氩氧比例的研究，并为面向高压缩比的氢气发动机研究了CO2氧气氛围中不同CO2比例和初始压力之间的区别并与氩氧氛围加以对比。在对滞燃期的研究中，为了更加接近实际发动机中的环境，基于Chemkin进行了初始温度1000K-1600K的模拟仿真并讨论了燃烧中间基元反应的温度敏感性的变化。
研究发现氢气在空气和氩氧氛围中燃烧时，最小点火能量均随着λ增大而增大，平均火焰速度随着λ增大明显减小；氩氧氛围中的最小点火能量相比空气氛围中有显著减小，平均火焰传播速度显著增大；室温下的滞燃期随λ增大而增大，且氩氧氛围相比空气的滞燃期明显缩短，同时燃烧压力显著增大；在高温的滞燃期模拟中，氩氧氛围相比空气有略微的缩短，但两者活化能相差不大，且在氩氧氛围中起到正效果的基元反应H+O2?O+OH的温度敏感性有所提升，起负效果的基元反应H+O2(+M)?HO2(+M)的温度敏感性有所降低。
在氩氧氛围中，随着混合气初始压力由0.1MPa增加到0.5MPa，氢气燃烧的最小点火能量逐渐增加，且在高初始压力下依然有着随λ增大而增大的规律；火焰的平均火焰传播速度也随着初始压力的提高而增加；室温下的滞燃期随着初始压力的增加而缩短；高温的滞燃期模拟中将初始压力拓展到1MPa，发现在1600K附近不同压力的活化能相近，初始压力增加会使得滞燃期缩短，而到了1000K附近则是初始压力高时活化能更高，滞燃期更长。各个基元反应的温度敏感性在初始压力提高后均有大幅度的增加，基元反应H+O2?O+OH和H+O2(+M)?HO2(+M)仍然是正负两方面敏感性最高的反应，但高压时基元反应H2O2(+M)?2OH(+M)和H2O2+H?H2+HO2的温度敏感性也提升到与前两者同一数量级的水平。
通过改变氩氧比例，发现随着氩气比例的增加，由于氢气浓度的下降，混合气的最小点火能量有明显增加，且平均火焰传播速度也明显降低，同时在88%氩气时出现了明显的火焰面上浮现象；室温下的滞燃期试验表明，氩气比例的增加会显著延长滞燃期，降低燃烧压力，在高温的滞燃期仿真中也是一样的规律，滞燃期随着氩气比例增加而增加，同时三种氩气比例下的活化能基本相当；基元反应的温度敏感性也体现出随着氩气比例增加而降低的趋势，反应H+O2?O+OH和H+O2(+M)?HO2(+M)仍然是温度敏感度最高的两个反应。
将工质气体中的氩气完全替换为CO2之后，对比不同比例的CO2气体和氩气的环境发现，两种CO2气体的最小点火能量都显著高于氩气环境，79%氩气混合气的平均火焰传播速度明显大于CO2混合气，79%CO2的火焰出现了火焰面上浮现象。70%CO2混合气的平均火焰传播速度随着初始压力的增加，会出现先增大后减小的变化趋势；室温试验中还发现使用CO2作为工质会对滞燃期有明显的延长效果，且CO2的比例越高滞燃期越长，燃烧压力方面在使用CO2作为工质之后也有显著的降低。