甲烷-氢气-空气预混合气燃烧特性研究

尉庆国，白小磊，张红光

(1.中北大学机电工程学院，太原030051;2.北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124)

天然气被公认为最有潜力的内燃机替代燃料[1].目前燃用压缩天然气(CNG)的公交车正在得到广泛推广，但是，天然气的燃烧速率较慢，对其经济性有很大负面影响.在对甲烷燃烧性能的研究中，有研究表明掺氢可以有效改善甲烷燃烧速率，缩短滞燃期，降低HC等排放[2-3].

Nagalingam等首先在AVL单缸机上进行了天然气氢气不同混合比的实验研究.试验结果表明:天然气加氢后，发动机的最佳点火提前角减小，推迟点火提前角所带来的火焰温度下降对降低 NOx十分有利[4].日本岐阜大学提出了氢气辅助喷流着火方式，来提高天然气发动机的燃烧效率和降低稀混合气下的燃烧循环变动.研究表明:氢燃烧产生的高能量和大量活性基促进了主室中甲烷的燃烧速率[5].上海交通大学的Wang等人，在发动机内进行试验，研究了纯氢和不同比例天然气掺氢的燃烧与排放特性.试验表明:天然气掺氢可以改善天然气燃烧特性，拓展天然气的稀燃极限[6].西安交通大学的Huang等人研究了天然气-氢气-空气预混合气的层流燃烧速度和火焰传播特性，掺氢可以明显提高天然气的燃烧速度[7].Zhang等人在定容燃烧弹内研究了天然气-氢气-空气混合气火焰传播规律，得到不同掺氢比以及当量比下，混合气的层流燃烧速率以及马克斯坦长度.研究表明:掺氢增加马克斯坦长度值减小，火焰稳定性下降[8].现有的研究成果全部停留在实验阶段，没有从机理上揭示天然气氢气的燃烧过程.由于天然气的成份比较复杂，仿真计算时，燃料物性不好确定，因此，有必要在模拟装置上进行甲烷-氢气混合气的燃烧实验，为进一步数值模拟的参数修正提供数据.

1 试验系统与试验条件

试验所用定容燃烧弹系统(Constant Volume Combustion Bomb，以下简称CVCB)如图1所示.

图1 定容燃烧弹试验系统图

使用气体压力传感器(瑞士Kistler公司生产，6052C空冷式)采集混合气燃烧过程的瞬态压力.由各光学元件组成的纹影系统辅助高速摄影机(美国REDLAKE公司生产)拍摄燃烧过程中火焰发展和传播情况.自行设计的非接触式的磁力搅拌预混罐配合水银U型压力计进行混合气的配置，将经过充分搅拌的混合气充入到燃烧弹内，采用加热带进行燃气点火前的加热.脉冲信号发生器DG535(美国Princeton Instruments生产)用来同时触发高速摄影机、点火系统和示波器压力采集.采用真空泵将燃烧后的废气排出.CVCB本体为球墨铸铁铸造而成，内腔为边长100 mm的正方体;弹体前后端面安装厚度为50 mm的石英玻璃窗，为纹影系统提供光学通路;弹体上装有压力变送器和热电偶分别用来测量混合气的初始压力和初始温度;由火花塞改造而成的两根点火针分别安装在弹体的两侧实现燃烧室中心点火.试验所用的甲烷纯度为99.99%、氢气纯度为99.999%、氮气和氧气纯度均为99.9%(均由北京天海气体厂提供).充入预混罐内的混合气可表示为

式中:x表示甲烷和氢气混合气中氢气的体积分数;L表示实际充入弹体的空气量.

1mol混合燃气消耗的理论空气量为

燃空当量比定义为

假设试验所需配出的燃空当量比为φ，掺氢比为x，总压力为P的混合气，按照气体分压定律可计算得出充入预混罐内的各组分气体分压分别为

2 试验结果及分析

从最大燃烧压力、最大燃烧压力升高率以及火焰发展图片对甲烷掺氢混合气的燃烧特性及火焰发展稳定性方面进行分析.

2.1 初始压力对燃烧压力的影响

图2为不同初始压力下最大燃烧压力随掺氢比的变化.图中曲线表明，最大燃烧压力按照几乎相同的线性关系随初始压力增加而增大，与掺氢无明显关系，这是由于甲烷-空气混合气和氢气-空气混合气按化学当量比燃烧时的体积热值十分接近[9].图中关系还表明，最大燃烧压力出现时刻随着初始压力增大略有滞后，随掺氢比的增大明显提前，这说明掺氢有利于提高甲烷的燃烧速率.

图2 不同初始压力下最大燃烧压力与掺氢比的关系(T0=290 K，φ =1.0)

图3为同上相同条件下最大燃烧压力升高率随掺氢比的变化.曲线表明，初始压力越大，最大压力升高率值越大，其值出现的时刻越迟.在较低初始压力条件下，最高压力升高率变化并不明显，高于正常大气压后，压力升高率才随掺氢比例产生变化.实验验证，初始压力过低，在小于0.5 Mpa时，点火针点火困难.图中关系还表明，在相同的初始压力下，掺氢可以明显提高最大压力升高率，使最大压力升高率出现的时刻明显提前.

图3 不同初始压力下最大燃烧压力升高率与掺氢比的关系(T0=290 K，φ =1.0)

图4为火花点火后3.5 ms时，不同初始压力对应掺氢比下的火焰纹影图片.可以看出:相同初始压力下，火焰半径随着掺氢比增加略有增大;在相同掺氢比下，火焰半径随着初始压力增加略有减小.从而说明初始压力增加导致燃烧速率变小，进而火焰发展速度变慢.

图4 不同初始压力及掺氢比下火焰发展图片(T0=290 K，φ =1.0，t=3.5 ms)

2.2 初始温度对燃烧压力的影响

图5为初始压力0.1 MPa，当量比1.0时甲烷-氢气-空气混合气在不同初始温度下最大燃烧压力随着掺氢比的变化曲线.可以看出:随着初始温度升高，混合气最大燃烧压力逐渐降低，最大燃烧压力出现的时刻提前.这是因为初始温度升高，在进气阶段进入燃烧弹内的混合气质量会减少，而高温促进了混合气的化学反应速率;混合气在化学当量比下，最大燃烧压力同前面一样随掺氢比的增加没有明显变化，但其出现的时刻明显的提前.

图5 不同初始温度下最大燃烧压力与掺氢比的关系(P0=0.1 MPa，φ =1.0)

图6给出不同初始温度下最大压力升高率随掺氢比的变化规律.可以看出:最大压力升高率随着初始温度的升高没有明显变化，其值出现的时刻提前;随着掺氢比的增加，最大燃烧压力升高率明显增大，其值出现的时刻明显的提前.

图7为火花点火后4 ms时，不同初始温度和掺氢比下的火焰发展纹影图片.从图中可以看出:在固定掺氢比例下，随着初始温度的增加，火焰半径逐渐增大，但是变化不明显;在同一初始温度下，火焰半径随掺氢比例的增加而明显增大，这说明掺氢对甲烷燃烧速率的增大有明显改善.此外，在较低温度310 K的时候，无论掺氢与否，火焰表面光滑无褶皱，这表明低温时火焰是稳定的层流燃烧;掺氢后，随着温度的增加火焰表面均出现了不同程度的褶皱，而且这种褶皱随掺氢比的增大而更明显.这主要是由于氢气燃烧不稳定性差，掺氢比例越高，火焰不稳定性趋势越大[7]，并且高温时，分子运动更剧烈，火焰表面褶皱更明显.

2.3 当量比对燃烧压力的影响

图8给出了不同当量比下，最大燃烧压力随掺氢比的变化规律.从图中可以看出:相同掺氢比下，最大燃烧压力随着当量比的增大呈现先增后降的趋势，在化学当量比附近达到最大，稀燃和浓燃时均减小.随着掺氢比的增加，最大燃烧压力在浓燃和稀燃时均增大，尤其稀燃时，掺氢对提高混合气燃烧时的最大燃烧压力，缩短其燃烧时间，有明显效果.同前面一样，在当量比时，掺氢对最大燃烧压力没有明显的影响.

图9给出了不同掺氢比下最大燃烧压力升高率随当量比的变化规律.可以看出:同一掺氢比下，在化学当量比附近，最大燃烧压力升高率都是最大且出现的时刻最早;随着混合气稀燃和浓燃，最大压力升高率均下降，出现的时刻滞后.随着掺氢比的增加，最大燃烧压力升高率均增大，其出现的时刻均滞后;在化学当量比附近，最大燃烧压力升高率增大的幅度最为明显;稀燃时，掺氢对最大燃烧压力升高率出现时刻提前的最为明显.

图10为火花点火后6 ms，时不同当量比和掺氢比下的火焰纹影图片.从图中可以看出，与前面的不同初始温度和初始压力相比较，当量比对火焰发展半径影响最为明显.在化学当量比时火焰半径大，稀燃时最小，浓燃次之.随着掺氢比的增加，火焰半径均明显增大.掺氢越多，混合气越稀，火焰表明褶皱越明显，燃烧越不稳定.

图10 不同当量比及掺氢比下火焰发展图片(P0=0.1 MPa，T0=330 K)

3 结论

通过对试验结果进行分析和比较，在试验范围内可以得出如下结论:

1)在化学当量比下，最大燃烧压力和最大燃烧压力升高率随初始压力的增加而升高，随初始温度的增加而降低;最大燃烧压力和最大燃烧压力升高率出现的时刻随初始压力的增加而滞后，随初始温度的增加而提前.

2)最大燃烧压力和最大燃烧压力升高率在化学当量比附近达到最大值且出现时间最短，浓燃和稀燃时，均明显降低.

3)随着掺氢比的增加，最大燃烧压力和最大燃烧压力升高率，在浓燃和稀燃时，均明显增大，最大燃烧压力和最大燃烧压力升高率出现的时间，均明显缩短，掺氢有效的提高了燃料的燃烧速率.

4)在同一时刻，初始温度和初始压力对火焰半径的变化影响较小，当量比和掺氢比对火焰影响较大，掺氢可以明显增加火焰的传播速率.

[1] 阎小俊，蒋德明.甲烷-空气-稀释气的层流燃烧特性研究[J].内燃机学报，2000，18(4):353-358.

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[6] 王 磊，方俊华，黄 震.纯氢和天然气掺氢燃料发动机的试验研究[J].柴油机，2009.31(5):6-10.

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[8] 张 勇，黄佐华，王 倩，等.天然气-氢气-空气混合气火焰传播特性研究[J].内燃机学报.2006，24(6):481-488.

[9] 蒋德明，黄佐华.内燃机替代燃料燃烧学[M].西安:西安交通大学出版社，2007.