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原文传递喷氢射流对大缸径煤层气发动机的燃烧特性研究

论文题名：	喷氢射流对大缸径煤层气发动机的燃烧特性研究
关键词：	船舶大缸径煤层气发动机;喷氢射流;燃烧特性;排放特性
摘要：	在船舶海洋业蓬勃发展的同时，由于内燃机的主要化石燃料迅速地被消耗，从而使能源安全、环境污染等问题愈发严重。在此背景下，一种清洁的替代燃料——煤层气（CBM）由于其庞大的储量、优良的抗爆性、清洁的排放成为能源动力研究领域的热点之一。点燃式大缸径内燃机燃气发电是低浓度煤层气（LCCM）最有潜力的利用方式之一，但LCCM中的CH4浓度低且不稳定，发动机的缸径太大导致缸内湍流运动减弱，这些问题导致了LCCM的燃气发电频繁出现严重爆震等恶性事故。因此，开展对大缸径LCCM发动机的燃烧特性研究及对其强化点火和加速火焰传播的研究，期望减少恶性事故的发生以推动其产业化的发展。　　氢气是一种活性很高的燃料，当它与LCCM掺混后经进气道喷入时可以稳定点火，加快火焰传播，但是其均质的特性仍然会引发回火等事故。而当氢气直喷入气缸时，为明晰喷氢射流对大缸径LCCM发动机的点火和火焰传播的强化作用，本文通过 GT-Power/AVL-Fire 仿真平台搭建了大缸径稀薄煤层气发动机的一维整机模型和三维燃烧模型，经试验验证了模型的准确性。首先通过仿真计算煤层气稀薄燃烧特性作为之后研究的基础。接着研究了喷氢正时与点火正时相位差对缸内火焰形态的影响，以及不同火焰形态对发动机燃烧特性的影响，最后得到了喷氢量对变浓度煤层气的助燃效果的影响，主要结论如下：　　（1）在转速和负荷不变的情况下计算了不同过量空气系数下的稀薄煤层气的燃烧及排放特性。研究发现随着煤层气浓度的变小，缸内压力峰值、平均温度峰值、瞬时放热率峰值逐渐变小且对应的曲轴转角延后，生成的NOX的含量降低，排放性能提高。　　（2）喷氢持续期为10℃A时在煤层气PFI+氢气DI发动机内进行三维仿真研究，通过对比不同喷氢、点火相位差中的氢气分布和火焰燃烧形态。发现喷氢与点火间隔在 10℃A以内时，火花塞点火后会形成烟羽状的火焰燃烧形态，其着火方式本质为多点着火，喷氢与点火间隔在 10°~16℃A左右时，缸内燃烧火焰会形成活性分层燃烧，是点火中心的混合气较浓而四周的混合气较稀的火焰形态，喷氢与点火间隔在 16℃A以上时，缸内燃烧火焰会形成均质燃烧。对比三种火焰形态发现：形成的烟羽点火燃烧能较大程度缩短火焰发展期，加强点火的稳定性，并增大等容热释放，提高发动机的热效率。　　（3）对比研究了不同的喷氢量下的燃烧特性和排放特性，助燃的喷氢量越多，点火时的氢气射流体积越大，着火后的着火面越大，并且缸内湍动能增大使火焰传播加快，其火焰发展期显著减小，其快速燃烧期略微减小，但喷氢量过多会使放热集中于活塞顶部，将会引起较大的热损失并且 NO 排放增大。对比研究了固定喷氢量在变浓度煤层气氛围下的燃烧特性和排放特性，发现过量空气系数变大会使缸压和温度峰值变小且延后，并使火焰发展期略微增大而快速燃烧期显著增大。
作者：	贾为
专业：	船舶与海洋工程;轮机工程
导师：	何义团
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023