摘 要

随着能源短缺和排放法规的日益严格，要求内燃机使用清洁的能源，而天然气作为一种气体代用燃料，具有良好的应用前景。目前虽然已经实现了在车用发动机上的使用，但是与日益严格的排放法规相比，排放仍然需要降低。相对于汽油具有更宽的发火界限，这使得天然气可以实现更为稀薄的燃烧，以降低排放，这要求点火系统释放更高的点火能量。但是点火能量越大，发动机点火系统的工作负荷越高，其使用的工作寿命就越短。并且天然气主要成分是甲烷。因此，本课题旨在利用定容燃烧弹与高速纹影系统，开展不同当量比不同温度下不同点火能量对甲烷-空气混合物预混火焰初期传播特性影响的研究，确定甲烷空气预混火焰传播特性规律以及影响范围，为天然气发动机点火系统的优化提供一定的理论参考。

关键词：甲烷；球形传播火焰；点火能量；预混火焰

Abstract

With energy shortage and increasingly stringent emission regulations, using clean energy for internal combustion engines becomes the emergency requirement and as a substitute fuel gas, natural gas has a good application prospect. Though at present it has been achieved in the use of vehicle engine, but compared with the increasingly stringent emission regulations, it still need to reduce emissions. Relative to gasoline，natural gas has wider firing line, which makes the natural gas can be combusted more thin. To reduce emissions, it requires ignition system release higher ignition energy. But the greater the ignition energy, the engine ignition system work load is higher and the use of the working life is shorter. The main composition is methane gas. Therefore, this project which aims to use the capacity of constant-volume combustion bomb and the high speed schlieren system, carry out that under the different equivalent ratio, the effects of different ignition energy on air mixture of methane on early premixed flame propagation characteristics and determine the premixed methane air flame propagation law of methane - air mixture ignition model is set up at the same time, assisted by means of simulation to analyze the influence of ignition energy on air mixture of methane the initial propagation, and provide some theory reference for the optimization of the gas engine’s ignition system.

Keyword：methane；spherical propagation flame；ignition energy；premixed flame

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本课题研究背景、目的及意义 1

1.2 点火能量对天然气燃烧的影响的研究现状 2

1.2.1点火能量对发动机工况的影响 2

1.2.2点火能量对甲烷空气混合物的影响研究现状 3

1.3本文主要工作 3

第2章 实验装置和方法 3

2.1球形火焰传播实验装置 3

2.1.1定容燃烧弹及高速纹影摄影系统 4

2.1.2电容式点火系统 5

2.2实验方法及数据分析 6

2.2.1预混气体配置方法及初始条件 6

2.2.2球形火焰数据处理方法 7

2.3实验步骤 8

第3章 点火能量对甲烷空气混合物预混火焰传播初期传播特性的影响 9

3.1点火能量对甲烷-空气混合物初始火核形成的影响 9

3.2点火能量对甲烷-空气预混火焰初期传播特性的影响 10

3.3不同温度下点火能量对甲烷-空气预混火焰初期传播特性的影响 11

3.4不同当量比下点火能量对甲烷-空气预混火焰初期传播的影响范围 12

3.5点火能量对甲烷-空气预混火焰不稳定性的影响 13

3.6本章小结 14

第4章 总结与展望 15

4.1总结 15

4.2展望 15

第1章 绪论

1.1 本课题研究背景、目的及意义

工业革命以来，世界各国对化石燃料的依赖越来越强烈，对煤炭资源的需求日益凸显。从上世纪六十年代开始，内燃机的发展使得石油需求量高于煤炭，成为世界首要能源并占据主导地位。随着全球经济的快速发展，人类社会现代化程度的不断提高，全球范围内内燃机汽车的保有量在不断地增加，汽车给人类带来巨大便利的同时也带来了一些严重问题。汽车消耗大量的石油加剧了石油资源枯竭的危险，同时汽车排放的大量有害气体造成了严重的大气污染，对生态环境和人类的健康造成了严重的威胁，因此，节能和环保已经成为世界汽车工业面临的两大关键问题。为了解决能源危机和环境污染这两个主要问题，在全世界范围内掀起了寻找内燃机清洁燃料的热潮，世界各国都投入了大量的资金和人力，开展了广泛的研究和开发工作，积极开发新能源，寻找可替代石油产品的代用燃料。到目前主要的研究方向有电动汽车、天然气汽车、醇类燃料汽车、氢燃料汽车、太阳能汽车和混合动力汽车等，其中天然气以其资源丰富、价格便宜、燃烧排放污染少等突出优点，倍受人们青睐，被认为是 21 世纪最有发展前途的清洁代用燃料之一。天然气的主要组分是甲烷CH4,含量一般在95%左右,其辛烷值为130,具有很高的抗爆性能。CH4分子中的含氢量高,因此,释放单位能量燃用天然气时的温室气体CO2的排放量比汽油的少30%以上。而且天然气燃烧时火焰传播速度慢,燃烧温度低,能抑制缸内NOX的生成。而且天然气汽车技术相对成熟，使用时间也相对较长，具有一定的经验。近年来，天然气作为一种清洁的汽车代用燃料，在全球范围内已经得到了比较广泛的应用。从90年代以来，天然气消费平均以2%的速度在增长，在能源结构中目前平均达到23.5%，高者则达到50%到60%，我们国家早在上世纪50 年代就投入了大量人力、物力和财力，开始研究天然气发动机，原一机部汽车局在四川建立天然气汽车研究试验站，开展天然气作为汽车燃料的研究试验工作。2000 年我国实施清洁能源行动计划，我国进入了天然气汽车快速应用发展阶段。目前压缩天然气（Compressed Natural Gas简称 CNG ）已成为技术上比较成熟和最为现实的石油代用能源之一，发展 CNG 汽车已被很多大城市作为治理大气污染的重要措施。而天然气在我国能源结构中所占比例只有不到4%，所以改善能源结构已是必然的趋势。天然气相对于汽油具有更宽的发火界限，使得天然气能够实现更为稀薄的燃烧，但是天然气发动机在点火时需求点火能量较高，燃烧速度较慢，天然气发动机在启动过程中，表现为启动困难，排放差。对于点燃式发动机来说，点火能量是影响燃料燃烧特性与发动工作特性的重要影响因素之一。点火能量是发动机火花塞电极间高压放电产生的能量，用以点燃发动机内可燃混合气，是火焰核形成的重要因素，它直接影响着发动机的动力性和经济性。当点火能量过大时，很容易造成电极的烧蚀，缩短电极的使用寿命, 甚至引发发动机早燃或爆震；当点火能量过小时, 会造成发动机的功率、扭矩下降，燃油消耗上升和排放增加。所以，适当的点火能量有利于改善发动机的动力性和经济性，降低排放。因此本课题利用定容燃烧弹和高速纹影系统开展不同当量比下不同点火能量对甲烷空气混合物预混火焰初期传播特性的影响的实验，确定不同点火能量对于燃烧初期的影响规律，为天然气发动机的设计和改良提供理论参考。

1.2 点火能量对天然气燃烧的影响的研究现状

1.2.1点火能量对发动机工况的影响

郭福林等人研究表明，点火能量过低，导致发动机燃烧状况恶化，降低发动机动力性和经济性，使发动机启动性能变差；适当的提高点火能量可以提高发动机的经济性、动力性和降低排放，增大CNG的稀燃界限。点火能量过高，则会造成能量的浪费，加大发动机点火系统负荷，降低点火系统寿命^[4]。Shen等人在单缸汽油机上利用高速纹影系统研究了点火能量对火焰生成和初期发展的影响，发现提高点火能量有助于加大初始火核尺寸，从而加快火焰的形成和初期发展，使燃烧能在更为稀薄的情况下进行^[15]。Hu等人在试验用CNG发动机上研究了点火能量对燃烧特性的影响，发现提高点火能量有助于提高燃烧稳定性，点火能量增大到一定程度后，继续提高点火能量对CNG低压缸直喷发动机燃烧性能影响不再明显^[13]。Wang等人进一步在CNG发动机上研究了不同转速下点火能量对燃油消耗率，排放和稀燃界限的影响，发现在低转速较高的点火能量的工况下，发动机表现出较低的燃气消耗率；高转速下，点火能量对燃气消耗率影响不大，且小的点火能量会导致HC、NO_x增加^[5]。印度的Tank，Shaikh，Bhatt^[18]等人对近些年点火能量对使用天然气作为替代燃料的双燃料发动机的性能影响实验进行了总结。虽然CNG燃料发动机所生成的污染物较低，但CNG燃料产生的功率比汽油燃料的减少了14%-18%，且效率降低了近20%。除此以外，CNG发动机的火花塞间隔的电阻较大，因此CNG发动机点火时需要比汽油机更大的点火能量。给CNG发动机较高的点火能量还能提高其功率和效率，以便使其能很好的替代汽油。

1.2.2点火能量对甲烷空气混合物的影响研究现状

Zhou等人在定容燃烧弹上研究了天然气空气混合物层流速度的影响，发现提高点火能量有助于加快火核的形成和初期火焰的发展，压力峰值增大且提前出现，最大放热量增大，最大放热率提前^[14]。Chen等人的关于路易斯数和点火能量对球形火焰层流燃烧传播速度的影响中指出，不同的点火能量对混合物燃烧初期的影响不同，点火能量越大，球形火焰传播初期的半径越大，拉伸火焰传播速度也越快，但最终火焰半径都趋于相等^[15]。

综上，天然气发动机启动需要较高的点火能量，但是点火能量过高会造成能量浪费和减少点火系统使用寿命。而适当的提高点火能量可以提高发动机效率，减小污染物的排放，拓宽烯然界限等等。因此有必要研究在不同的工况下点火能量对天然气燃烧影响规律，为天然气发动机的优化提供理论指导。

1.3本文主要工作

天然气主要成分是甲烷，而上述研究大多都是在发动机上进行的，或者是以天然气氢气为研究对象，而发动机实际燃烧与传热过程比较复杂，加之各循环燃烧是变化的，要控制的燃烧条件不变也是比较困难的，所以实验结果的可比性不强，发动机可视化程度不高，实时观察化验的发展变化不易，为此本文利用定容燃烧弹和高速纹影摄像装置开展不同当量比下不同点火能量对甲烷空气燃烧初期的影响，分析点火能量对甲烷空气混合物预混火焰传播初期的影响规律，然后确定点火能量对混合物传播的影响范围，为天然气发动机的设计和改良提供理论参考。

第2章 实验装置和方法

2.1球形火焰传播实验装置

定容燃烧弹主要模拟内燃机活塞在上止点附近的燃烧，其特点是结构简单，能够方便改变热力参数（包括残余废气系数、空燃比、温度和压力）、湍流参数以及点火参数（电极间隙、火花塞位置与点火能量），研究这些参数中单一参数的变化对燃烧过程的影响，因而成为内燃机基础燃烧研究的重要平台。如图2.1所示，定容燃烧弹实验装置系统由燃料供给系统、定容燃烧弹、高速纹影摄像系统、点火时序控制与数据集系统组成。

图2.1定容燃烧弹实验装置系统

2.1.1定容燃烧弹及高速纹影摄影系统

实验中定容燃烧弹不锈钢的圆柱体，体积为5.86L，内径为174 mm。两根不锈钢的放电电极就布置在容弹的中心，直径为15mm。容弹两侧装有直径为80mm的光学石英玻璃视窗，为高速纹影系统提供可视光学通路。外壁有加热带用来加热定容燃烧弹弹体，保证实验所需燃烧初始温度，弹体上装有温度传感器和压力传感器，分别用来测量弹体内温度和压力。

图2-4定容燃烧弹及高速纹影系统

实验用的高速摄像机FASTCAM SA1.1是Photron公司生产的，拍摄速度在1000-675000幅/s可调，它与一个数据采集卡MCDL相连接，用来采集燃烧过程中弹内压力变化情况，高速摄像机通过以太网与电脑相连接，处理采集到的图像和压力数据则用Photron Fastcam Viewer 3来处理。

2.1.2电容式点火系统

本次实验的点火系统为电容储能式放电点火系统，直接采用高压直流稳压电源作为电容的充电电源，其整体结构如图2.2所示。