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CO2摻混比對甲烷HCCI燃燒特性影響的實驗研究

2020-01-22 00:58:35·  來源：內(nèi)燃機學(xué)報  
　
近年來，對常規(guī)尺度HCCI發(fā)動機燃燒過程的研究表明，CO2可明顯改善HCCI發(fā)動機燃燒情況，抑制發(fā)動機爆燃現(xiàn)象，HCCI發(fā)動機中加入CO2后發(fā)動機負荷范圍明顯擴大，工況
近年來，對常規(guī)尺度HCCI發(fā)動機燃燒過程的研究表明，CO2可明顯改善HCCI發(fā)動機燃燒情況，抑制發(fā)動機爆燃現(xiàn)象，HCCI發(fā)動機中加入CO2后發(fā)動機負荷范圍明顯擴大，工況范圍拓寬。目前對微型自由活塞動力裝置的研究還處于理論探索階段，基于微尺度條件下，微型自由活塞動力裝置的連續(xù)循環(huán)過程的試驗研究難以開展，本次推文關(guān)注試驗方法，對微型HCCI自由活塞動力裝置內(nèi)自由活塞單次沖擊過程中甲烷摻混不同比例的CO2下混合氣的燃燒特性進行研究，從而為微型動力裝置內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定著火、可靠燃燒以及微動力裝置內(nèi)實現(xiàn)低溫燃燒提供理論依據(jù)。
 
試驗裝置與工作原理
為研究CO2對微動力裝置內(nèi)甲烷均質(zhì)壓燃燃燒特性的影響，建立了自由活塞單次沖擊過程可視化試驗臺架，試驗臺架如圖1所示。通過流量計與質(zhì)量流量控制器制備摻混不同比例CO2的甲烷/氧氣混合氣，并通入由高硼硅制成的可視化微燃燒室，通過調(diào)節(jié)高壓氮氣的壓力為活塞提供不同的初始速度，自由活塞壓燃混合氣，高速數(shù)碼相機拍攝整個過程圖像，并通過 Photron FASTCAM Analysis 軟件分析計算數(shù)據(jù)采集儀所獲得的試驗數(shù)據(jù)，得出自由活塞位移和速度隨時間的變化曲線；同時通過連接在微燃燒室底部的快速響應(yīng)熱電偶溫度傳感器與微壓力傳感器獲取微燃燒室內(nèi)不同工況、不同時刻微燃燒室內(nèi)溫度與壓力變化特性。試驗中微壓力傳感器測壓范圍為0～100 MPa，頻率為100kHz，通過燃燒分析儀進行數(shù)據(jù)處理。
圖1 微型自由活塞動力裝置試驗臺架示意
 
試驗初始條件與參數(shù)不確定性
微型自由活塞動力裝置幾何參數(shù)與初始條件如表1所示。為保證自由活塞與微燃燒室之間良好的氣密性，防止混合氣從微燃燒室內(nèi)發(fā)生泄漏，自由活塞與微燃燒室采用分離加工的特種加工方法并在其表面進行了電鍍處理，微燃燒室與自由活塞間存在最大間隙值為2µm。研究中，裝置的換氣過程不被考慮。同時在試驗中為方便討論，將甲烷燃料的CO2摻混比定義為混合燃料中CO2的體積與甲烷和CO2的體積之和的比。
表1 微型自由活塞動力裝置幾何參數(shù)與初始條件
在試驗中，活塞的初始速度由高壓氮氣通過氣動裝置提供。當(dāng)氣動裝置為自由活塞提供初始速度時，不可能確保每次施加在活塞上的力的方向正對活塞端面的中心。雖然保證活塞初始速度為20m/s，但施加在活塞上的力偏心引起活塞的轉(zhuǎn)動慣量變化，這甚至?xí)?dǎo)致活塞旋轉(zhuǎn)，可能會對研究結(jié)果產(chǎn)生影響。雖然活塞表面和微燃燒室內(nèi)壁經(jīng)過精細加工和電鍍處理，但實際上仍然存在很小的粗糙度，即自由活塞在 壓縮沖程和膨脹沖程期間仍然具有很小的摩擦阻力。同時，試驗過程中微傳感器(微溫度/壓力傳感器)與微燃燒室底部的連接也會造成一定的熱量損失，使溫度和壓力的測量值偏離實際值。這些參數(shù)存在很大的不確定性，試驗中無法給出數(shù)值和確定條件。因此，為了簡化研究，不考慮這些實際存在而又無法確定的參數(shù)，在對變參數(shù)的研究中，同一組試驗重復(fù)研究5次，刪除其中誤差較大的測量點并求平均值，保證試驗結(jié)果的精確度與可信度。
 
試驗結(jié)果與分析
圖2為在表1條件下、自由活塞單次沖擊過程中高速數(shù)碼相機攝錄的一系列微燃燒室內(nèi)甲烷著火照片(CO2摻混比α為0、0.2和0.4 時微燃燒室內(nèi)甲烷著火燃燒的試驗照片)。當(dāng)α＝0 時，由于微燃燒室內(nèi)混合氣的壓縮比較大，甲烷/氧氣混合氣壓燃過程中發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放很大的能量，發(fā)出明亮的火焰，產(chǎn)生的高溫、高壓使微燃燒室發(fā)生破裂；隨著α的增大，壓燃過程中火焰的亮度逐漸變暗，微燃燒室內(nèi)甲烷的均質(zhì)壓燃過程逐漸減慢，著火的可靠程度減低；對試驗圖片進一步處理得到α＝0時混合氣的著火時刻約1ms；當(dāng)α＝0.2時，著火時刻約為1.025ms；當(dāng)α＝0.4時，著火時刻約為1.05ms?？芍狢O2的加入使甲烷均質(zhì)壓燃著火延遲，并對甲烷的壓燃過程具有抑制作用。試驗結(jié)果表明：甲烷摻混CO2后，甲烷均質(zhì)燃燒著火延遲，燃燒過程減慢，可見CO2有利于控制著火時刻、擴展HCCI發(fā)動機運行負荷范圍。
圖2 不同CO2 摻混比下甲烷著火燃燒試驗照片
圖3為通過處理試驗圖片獲得的不同CO2摻混比下自由活塞位移與速度變化曲線。當(dāng)CO2摻混比分別為0、0.2和0.4時，活塞返回時的位移曲線的斜率均大于壓縮過程中的位移斜率，說明 3 種工況下甲烷都發(fā)生了著火燃燒、釋放能量，對活塞做功；但隨著CO2摻混比的增大，活塞返回末速度逐漸減小，活塞單個行程所耗時間增大，當(dāng)α＝0.2 時，活塞末速度約為 26.3 m/s，行程總時長約為1.83ms；當(dāng)α＝0.4時，活塞末速度約為 25.0 m/s，行程總時長約為1.88ms，這是因為CO2摻混比的增加使甲烷的比例減少，微燃燒室內(nèi)甲烷燃燒釋放的能量減少，并且CO2具有抑制可燃物燃燒的特性，故使活塞整個返回過程中平均速度降低。
圖3 不同CO2摻混比下活塞位移與速度曲線
圖4為不同CO2摻混比下微燃燒室內(nèi)溫度與壓力變化曲線。當(dāng)CO2摻混比分別為 0、0.2和0.4時，微燃燒室內(nèi)的溫度與壓力都有一個先陡升后降低的過程，這是由于自由活塞壓縮混合氣使微燃燒室內(nèi)的壓力與溫度突然升高，到達甲烷的著火點，甲烷著火，混合氣體在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，混合氣劇烈燃燒，微燃燒室內(nèi)出現(xiàn)了溫度與壓力陡增的現(xiàn)象，混合氣體對活塞做功，內(nèi)能降低，故壓力與溫度下降．隨著CO2摻混比的增大，微燃燒室內(nèi)最高溫度、最高壓力均發(fā)生了下降，當(dāng)CO2摻混比由0增加到0.4時，最高溫度先后下降了223.4 K、380.6 K，最高壓力先后下降了9.25MPa、19.91MPa，這是由于CO2具有較高的比熱容(約為54.3 J/(mol·K))抑制甲烷的基元反應(yīng)，能夠有效降低爆發(fā)壓力與溫度。
圖4 不同CO2摻混比下微燃燒室內(nèi)溫度和壓力曲線
圖5為不同CO2摻混比下微動力裝置的p-V，CO2摻混比不斷增大，示功圖的面積不斷減小，微動力裝置輸出的指示功減少。當(dāng)α由0.2增加到0.4時，指示功由1.1913 J 減少至 0.9921 J。另外，隨CO2摻混比的增大，微燃燒室內(nèi)混合氣的著火時刻推后，活塞單次壓縮沖程需要的時間有所增加，整個裝置的能量密度降低，所以甲烷摻混CO2并不利于微自由活塞動力裝置做功能力的提高。
圖5 不同CO2摻混比下微動力裝置 p-V
 
結(jié)論
由研究可知，甲烷摻混CO2會使甲烷HCCI著火延遲，微燃燒室內(nèi)的溫度與壓力降低，CO2具有較大的熱容比，能夠抑制甲烷的基元反應(yīng)，從而抑制爆燃的發(fā)生，當(dāng)CO2摻混比達到0.58時，裝置內(nèi)甲烷無法壓燃；CO2摻混比的不斷增大，燃料燃燒放熱受到抑制，微動力裝置內(nèi)的平均有效壓力不斷降低，活塞的返回速度不斷減小，即裝置的做功能力減弱，在權(quán)衡裝置做功能力與抑制裝置爆震時，應(yīng)選擇合適的CO2摻混比。
 
文獻來源及推薦閱讀
[1]趙巖,王謙,吳凡,柏金.CO2摻混比對甲烷HCCI燃燒特性的影響[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2019,37(05):385-392.
 
 
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