尉慶國，白小磊，張紅光

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051;2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100124)

天然氣被公認(rèn)為最有潛力的內(nèi)燃機(jī)替代燃料[1].目前燃用壓縮天然氣(CNG)的公交車正在得到廣泛推廣，但是，天然氣的燃燒速率較慢，對其經(jīng)濟(jì)性有很大負(fù)面影響.在對甲烷燃燒性能的研究中，有研究表明摻氫可以有效改善甲烷燃燒速率，縮短滯燃期，降低HC等排放[2-3].

Nagalingam等首先在AVL單缸機(jī)上進(jìn)行了天然氣氫氣不同混合比的實(shí)驗(yàn)研究.試驗(yàn)結(jié)果表明:天然氣加氫后，發(fā)動機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角減小，推遲點(diǎn)火提前角所帶來的火焰溫度下降對降低 NOx十分有利[4].日本岐阜大學(xué)提出了氫氣輔助噴流著火方式，來提高天然氣發(fā)動機(jī)的燃燒效率和降低稀混合氣下的燃燒循環(huán)變動.研究表明:氫燃燒產(chǎn)生的高能量和大量活性基促進(jìn)了主室中甲烷的燃燒速率[5].上海交通大學(xué)的Wang等人，在發(fā)動機(jī)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，研究了純氫和不同比例天然氣摻氫的燃燒與排放特性.試驗(yàn)表明:天然氣摻氫可以改善天然氣燃燒特性，拓展天然氣的稀燃極限[6].西安交通大學(xué)的Huang等人研究了天然氣-氫氣-空氣預(yù)混合氣的層流燃燒速度和火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕瑩綒淇梢悦黠@提高天然氣的燃燒速度[7].Zhang等人在定容燃燒彈內(nèi)研究了天然氣-氫氣-空氣混合氣火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，得到不同摻氫比以及當(dāng)量比下，混合氣的層流燃燒速率以及馬克斯坦長度.研究表明:摻氫增加馬克斯坦長度值減小，火焰穩(wěn)定性下降[8].現(xiàn)有的研究成果全部停留在實(shí)驗(yàn)階段，沒有從機(jī)理上揭示天然氣氫氣的燃燒過程.由于天然氣的成份比較復(fù)雜，仿真計算時，燃料物性不好確定，因此，有必要在模擬裝置上進(jìn)行甲烷-氫氣混合氣的燃燒實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步數(shù)值模擬的參數(shù)修正提供數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用定容燃燒彈系統(tǒng)(Constant Volume Combustion Bomb，以下簡稱CVCB)如圖1所示.

圖1 定容燃燒彈試驗(yàn)系統(tǒng)圖

使用氣體壓力傳感器(瑞士Kistler公司生產(chǎn)，6052C空冷式)采集混合氣燃燒過程的瞬態(tài)壓力.由各光學(xué)元件組成的紋影系統(tǒng)輔助高速攝影機(jī)(美國REDLAKE公司生產(chǎn))拍攝燃燒過程中火焰發(fā)展和傳播情況.自行設(shè)計的非接觸式的磁力攪拌預(yù)混罐配合水銀U型壓力計進(jìn)行混合氣的配置，將經(jīng)過充分?jǐn)嚢璧幕旌蠚獬淙氲饺紵龔梼?nèi)，采用加熱帶進(jìn)行燃?xì)恻c(diǎn)火前的加熱.脈沖信號發(fā)生器DG535(美國Princeton Instruments生產(chǎn))用來同時觸發(fā)高速攝影機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)和示波器壓力采集.采用真空泵將燃燒后的廢氣排出.CVCB本體為球墨鑄鐵鑄造而成，內(nèi)腔為邊長100 mm的正方體;彈體前后端面安裝厚度為50 mm的石英玻璃窗，為紋影系統(tǒng)提供光學(xué)通路;彈體上裝有壓力變送器和熱電偶分別用來測量混合氣的初始壓力和初始溫度;由火花塞改造而成的兩根點(diǎn)火針分別安裝在彈體的兩側(cè)實(shí)現(xiàn)燃燒室中心點(diǎn)火.試驗(yàn)所用的甲烷純度為99.99%、氫氣純度為99.999%、氮?dú)夂脱鯕饧兌染鶠?9.9%(均由北京天海氣體廠提供).充入預(yù)混罐內(nèi)的混合氣可表示為

式中:x表示甲烷和氫氣混合氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù);L表示實(shí)際充入彈體的空氣量.

1mol混合燃?xì)庀牡睦碚摽諝饬繛?/p>

燃空當(dāng)量比定義為

假設(shè)試驗(yàn)所需配出的燃空當(dāng)量比為φ，摻氫比為x，總壓力為P的混合氣，按照氣體分壓定律可計算得出充入預(yù)混罐內(nèi)的各組分氣體分壓分別為

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從最大燃燒壓力、最大燃燒壓力升高率以及火焰發(fā)展圖片對甲烷摻氫混合氣的燃燒特性及火焰發(fā)展穩(wěn)定性方面進(jìn)行分析.

2.1 初始壓力對燃燒壓力的影響

圖2為不同初始壓力下最大燃燒壓力隨摻氫比的變化.圖中曲線表明，最大燃燒壓力按照幾乎相同的線性關(guān)系隨初始壓力增加而增大，與摻氫無明顯關(guān)系，這是由于甲烷-空氣混合氣和氫氣-空氣混合氣按化學(xué)當(dāng)量比燃燒時的體積熱值十分接近[9].圖中關(guān)系還表明，最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻隨著初始壓力增大略有滯后，隨摻氫比的增大明顯提前，這說明摻氫有利于提高甲烷的燃燒速率.

圖2 不同初始壓力下最大燃燒壓力與摻氫比的關(guān)系(T0=290 K，φ =1.0)

圖3為同上相同條件下最大燃燒壓力升高率隨摻氫比的變化.曲線表明，初始壓力越大，最大壓力升高率值越大，其值出現(xiàn)的時刻越遲.在較低初始壓力條件下，最高壓力升高率變化并不明顯，高于正常大氣壓后，壓力升高率才隨摻氫比例產(chǎn)生變化.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，初始壓力過低，在小于0.5 Mpa時，點(diǎn)火針點(diǎn)火困難.圖中關(guān)系還表明，在相同的初始壓力下，摻氫可以明顯提高最大壓力升高率，使最大壓力升高率出現(xiàn)的時刻明顯提前.

圖3 不同初始壓力下最大燃燒壓力升高率與摻氫比的關(guān)系(T0=290 K，φ =1.0)

圖4為火花點(diǎn)火后3.5 ms時，不同初始壓力對應(yīng)摻氫比下的火焰紋影圖片.可以看出:相同初始壓力下，火焰半徑隨著摻氫比增加略有增大;在相同摻氫比下，火焰半徑隨著初始壓力增加略有減小.從而說明初始壓力增加導(dǎo)致燃燒速率變小，進(jìn)而火焰發(fā)展速度變慢.

圖4 不同初始壓力及摻氫比下火焰發(fā)展圖片(T0=290 K，φ =1.0，t=3.5 ms)

2.2 初始溫度對燃燒壓力的影響

圖5為初始壓力0.1 MPa，當(dāng)量比1.0時甲烷-氫氣-空氣混合氣在不同初始溫度下最大燃燒壓力隨著摻氫比的變化曲線.可以看出:隨著初始溫度升高，混合氣最大燃燒壓力逐漸降低，最大燃燒壓力出現(xiàn)的時刻提前.這是因?yàn)槌跏紲囟壬?，在進(jìn)氣階段進(jìn)入燃燒彈內(nèi)的混合氣質(zhì)量會減少，而高溫促進(jìn)了混合氣的化學(xué)反應(yīng)速率;混合氣在化學(xué)當(dāng)量比下，最大燃燒壓力同前面一樣隨摻氫比的增加沒有明顯變化，但其出現(xiàn)的時刻明顯的提前.

圖5 不同初始溫度下最大燃燒壓力與摻氫比的關(guān)系(P0=0.1 MPa，φ =1.0)

圖6給出不同初始溫度下最大壓力升高率隨摻氫比的變化規(guī)律.可以看出:最大壓力升高率隨著初始溫度的升高沒有明顯變化，其值出現(xiàn)的時刻提前;隨著摻氫比的增加，最大燃燒壓力升高率明顯增大，其值出現(xiàn)的時刻明顯的提前.

圖7為火花點(diǎn)火后4 ms時，不同初始溫度和摻氫比下的火焰發(fā)展紋影圖片.從圖中可以看出:在固定摻氫比例下，隨著初始溫度的增加，火焰半徑逐漸增大，但是變化不明顯;在同一初始溫度下，火焰半徑隨摻氫比例的增加而明顯增大，這說明摻氫對甲烷燃燒速率的增大有明顯改善.此外，在較低溫度310 K的時候，無論摻氫與否，火焰表面光滑無褶皺，這表明低溫時火焰是穩(wěn)定的層流燃燒;摻氫后，隨著溫度的增加火焰表面均出現(xiàn)了不同程度的褶皺，而且這種褶皺隨摻氫比的增大而更明顯.這主要是由于氫氣燃燒不穩(wěn)定性差，摻氫比例越高，火焰不穩(wěn)定性趨勢越大[7]，并且高溫時，分子運(yùn)動更劇烈，火焰表面褶皺更明顯.

2.3 當(dāng)量比對燃燒壓力的影響

圖8給出了不同當(dāng)量比下，最大燃燒壓力隨摻氫比的變化規(guī)律.從圖中可以看出:相同摻氫比下，最大燃燒壓力隨著當(dāng)量比的增大呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在化學(xué)當(dāng)量比附近達(dá)到最大，稀燃和濃燃時均減小.隨著摻氫比的增加，最大燃燒壓力在濃燃和稀燃時均增大，尤其稀燃時，摻氫對提高混合氣燃燒時的最大燃燒壓力，縮短其燃燒時間，有明顯效果.同前面一樣，在當(dāng)量比時，摻氫對最大燃燒壓力沒有明顯的影響.

圖9給出了不同摻氫比下最大燃燒壓力升高率隨當(dāng)量比的變化規(guī)律.可以看出:同一摻氫比下，在化學(xué)當(dāng)量比附近，最大燃燒壓力升高率都是最大且出現(xiàn)的時刻最早;隨著混合氣稀燃和濃燃，最大壓力升高率均下降，出現(xiàn)的時刻滯后.隨著摻氫比的增加，最大燃燒壓力升高率均增大，其出現(xiàn)的時刻均滯后;在化學(xué)當(dāng)量比附近，最大燃燒壓力升高率增大的幅度最為明顯;稀燃時，摻氫對最大燃燒壓力升高率出現(xiàn)時刻提前的最為明顯.

圖10為火花點(diǎn)火后6 ms，時不同當(dāng)量比和摻氫比下的火焰紋影圖片.從圖中可以看出，與前面的不同初始溫度和初始壓力相比較，當(dāng)量比對火焰發(fā)展半徑影響最為明顯.在化學(xué)當(dāng)量比時火焰半徑大，稀燃時最小，濃燃次之.隨著摻氫比的增加，火焰半徑均明顯增大.摻氫越多，混合氣越稀，火焰表明褶皺越明顯，燃燒越不穩(wěn)定.

圖10 不同當(dāng)量比及摻氫比下火焰發(fā)展圖片(P0=0.1 MPa，T0=330 K)

3 結(jié)論

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，在試驗(yàn)范圍內(nèi)可以得出如下結(jié)論:

1)在化學(xué)當(dāng)量比下，最大燃燒壓力和最大燃燒壓力升高率隨初始壓力的增加而升高，隨初始溫度的增加而降低;最大燃燒壓力和最大燃燒壓力升高率出現(xiàn)的時刻隨初始壓力的增加而滯后，隨初始溫度的增加而提前.

2)最大燃燒壓力和最大燃燒壓力升高率在化學(xué)當(dāng)量比附近達(dá)到最大值且出現(xiàn)時間最短，濃燃和稀燃時，均明顯降低.

3)隨著摻氫比的增加，最大燃燒壓力和最大燃燒壓力升高率，在濃燃和稀燃時，均明顯增大，最大燃燒壓力和最大燃燒壓力升高率出現(xiàn)的時間，均明顯縮短，摻氫有效的提高了燃料的燃燒速率.

4)在同一時刻，初始溫度和初始壓力對火焰半徑的變化影響較小，當(dāng)量比和摻氫比對火焰影響較大，摻氫可以明顯增加火焰的傳播速率.

[1] 閻小俊，蔣德明.甲烷-空氣-稀釋氣的層流燃燒特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2000，18(4):353-358.

[2] Blarigan P V，Keller J O.A hydrogen fuelled internal combustion engine designed for single speed/power operation[J].International Journal of Hydrogen Energy，2002，23(7):603-609.

[3] Akansu S O，Dulger A，Kahraman N，et al.Internal combustion engines fueled by natural gas-hydrogen mixtures[J].International Journal of Hydrogen Energy，2004，29(14):1527-1539.

[4] Yusuf M J.In Cylinder Flame front Growth Rate Measurement of Methane and Hydrogen Enriched Methane Fuel in a Spark Ignited Internal Combustion Engine.[D].USA:University of Miami.1990

[5] 黃佐華，王金華.氫能在燃燒發(fā)動機(jī)上利用的研究綜述[J].中國科技論文在線.2003:2-5.

[6] 王 磊，方俊華，黃 震.純氫和天然氣摻氫燃料發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)研究[J].柴油機(jī)，2009.31(5):6-10.

[7] Huang Zuohua，Zhang Yong，Zeng Ke，et al.Measurements of laminar burning velocities for natural gas-hydrogen-air mixtures[J].Combustion and Flame，2006，46(1-2):302-311.

[8] 張 勇，黃佐華，王 倩，等.天然氣-氫氣-空氣混合氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯縖J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報.2006，24(6):481-488.

[9] 蔣德明，黃佐華.內(nèi)燃機(jī)替代燃料燃燒學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2007.