掺氢对天然气发动机缸内燃烧过程及性能的影响研究

• 作 者: 董少毅
• 机 构: 湖南大学
• 出 处: 湖南大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 天然气发动机 氢气 燃烧特性 标准数模 经济性 排放

随着汽车行业的迅猛发展,车用燃油的需求逐年激增,汽车尾气对环境的污染也日益严重,发展替代燃料是减小石油需求、缓解环境污染问题的重要途径。天然气作为一种储量丰富且清洁环保的替代能源越来越受到人们的重视,但是作为车用燃料其存在燃烧速度慢、热值低等缺点。氢气燃烧速度快、热值高等特点正好可以弥补天然气作为车用燃料的缺点,天然气掺混氢气作为一种新型替代燃料越来越受到人们的重视。本文在天然气发动机台架试验基础上研究了缸内燃烧参数随掺氢比例变化的本质规律,在总结掺氢对燃烧过程的影响规律的前提下建立可供天然气掺氢发动机正向开发的标准数模。本文开展了高压缩比、增压预混天然气发动机掺氢台架试验研究,获得了性能参数、运行参数和燃烧参数,在此基础上研究天然气发动机掺氢后缸内燃烧过程及性能参数,尤其是关键燃烧参数:50%燃烧点位置,10%-90%燃烧持续期随氢气能量比的变化规律;并基于这些规律分析了掺氢对天然气发动机当量比气耗、NOX、HC、CO2排放的影响规律;基于上述规律,建立了天然气掺氢发动机的标准数模,可以用于预测同类发动机的性能参数。通过本文的研究得出如下结论:缸内燃烧放热过程随氢气能量比的增加逐步加快,0-10%燃烧持续期,10%-90%燃烧持续期均随氢气能量比的增加而缩短,其中0-10%燃烧持续期对氢气能量比的变化更为敏感,氢气对天然气发动机缸内燃烧过程的影响主要集中在燃烧初期,50%燃烧点位置随氢气能量比增加也有比较明显的提前;缸内最高爆发压力以及最大压力升高率均随氢气能量比的增加而升高,其所对应的曲轴转角位置随氢气能量比的增加而提前;此外,掺氢可以有效降低燃烧循环变动率;当量比气耗随氢气能量比的增加有所降低;氮氧化物随氢气能量比的增加显著升高;碳氢随氢气能量比的增加而降低;二氧化碳随氢气能量比的增加而显著降低。氢气能量比对以上这些参数的影响程度随转速和负荷的升高而逐渐减弱。最后,运用总结的定量关系而建立的天然气掺氢发动机的标准数模对同类发动机性能的预测具有比较好的准确度。