采用离子电流法的甲醇发动机失火诊断

在一台由四缸柴油机改装而成的甲醇发动机上,采用以火花塞作为传感器的离子电流测量法在线获得了发动机正常燃烧和3种典型失火工况时的离子电流信号,分析了它们之间的异同,给出了3种典型失火工况的离子电流信号特征值,并利用离子电流的焰后区峰值幅值及峰值位置量化了试验用甲醇发动机发生失火的判定依据。结果表明:当发动机正常燃烧时,离子电流曲线只含有前锋区和焰后区;当火焰不能连续传播而引起失火时,离子电流信号在上止点附近出现若干尖峰;当断油引起失火时,离子电流只出现点火信号;当缓慢燃烧引起失火时,离子电流波形分别在前锋区和焰后区出现峰值。该结果可为离子电流法在点燃式甲醇发动机中的应用提供理论依据。     

稀释气对离子电流影响的试验研究与机理分析

针对稀释气体影响离子电流前锋区特征峰的研究比较缺乏,以甲烷/空气/稀释气体为对象,通过在定容燃烧弹内布置离子电流测量电极,获得了稀释气种类N2/CO2/Ar和0%、5%、10%、15%几种不同稀释比条件下离子电流的特征峰值,结合CHEMKIN化学反应动力学数值模拟结果,分析了主导离子电流前锋区信号生成的带电组分的数密度、敏感性系数及其生成路径。试验结果表明:相同的稀释比下,CO2稀释对离子电流信号的抑制作用最大;在不同的稀释气体种类下,离子电流前锋区峰值均在过量空气系数λ为0.95时达到最大。数值计算结果表明,对离子电流前锋区信号贡献最大的组分是H3O+和电子e,链分支反应R38、链终止反应R52和离子化初始反应R326对这两种组分浓度的影响较大。在过量空气系数λ为0.95时,O和CH数密度都较大且反应区温度最高,导致化学离子化程度最大,离子电流值前锋区峰值也达到最大值。该结论为研究稀释气体对燃料燃烧的离子电流信号影响和火焰锋面电学特性提供了一定的机理支撑。     

电极几何参数对离子电流影响的试验研究

在定容燃烧弹中进行了正负电极面积对天然气-空气混合气燃烧产生的离子电流影响的研究,并将高速摄影仪在燃烧过程中拍摄的纹影照片与相应的离子电流进行分析对比.结果表明:电极直径和所布置的圆盘面积等参数不影响离子电流曲线的形态,曲线均存在点火、前锋区、后焰区3个阶段,可以完整地体现燃烧信息;电极几何参数影响电流的幅值,而且正电极面积的影响大于负电极.     

盲源分离法在火花塞离子电流信号分离中的应用

针对发动机燃烧过程在线监测中,以火花塞作为传感器测量并分析离子电流信号时,测得的离子电流信号易受到火花点火干扰的问题,将基于独立分量分析的盲源分离方法应用于实测火花塞电流信号的分离.采用盲源分离法对实测火花塞离子电流信号进行分析,能够很好地抽取出无火花尾干扰的离子电流信号和点火火花尾信号,其离子电流在上止点附近和压力峰值附近分别出现明显的火焰前锋区和焰后区两个峰值.对同一转速、不同废气再循环(EGR)率的实测离子电流信号进行了盲源分离,结果表明:随着EGR率的增大,离子电流的两个峰值均会减小,且峰值出现的时刻均有所推迟,同时点火火花尾对离子电流信号的干扰也会增强.     

电极位置与电极面积对离子电流影响的试验研究

在定容燃烧弹中将5个不同面积的电极安装在容弹中的不同位置,通过采用不同测量电极组合测量了燃烧过程中产生的离子电流信号。以离子电流信号、燃烧压力信号和火焰纹影照片为基础数据,分析了电极位置和电极面积对离子电流的影响。试验结果表明:电极位置会影响离子电流的出现时刻、大小、峰值及峰值时刻等特征参数;当正电极一定时,离子电流升高的次数随负电极数量的增加而增多,说明离子电流能够反映电极附近的局部燃烧信息;火焰与正电极、负电极可接触面积影响着电极吸收的电荷量及离子电流的幅值,且负电极面积的影响大于正电极面积的影响。该研究结果可为离子电流法获取发动机缸内燃烧信息的应用提供理论依据。     

离子电流法测量CH_4/H_2混合气燃烧火焰传播速度的实验研究

在定容燃烧弹上布置一对测量电极,运用离子电流法、根据燃烧火焰在接触测量电极时刻的离子电流信号值,对不同工况下CH4/空气及其掺氢混合气的平均火焰传播速度进行了计算,并与传统光学纹影法测得的火焰速度进行了对比。结果表明:对于CH4/空气混合气预混燃烧火焰,在过量空气系数分别为0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1时,利用离子电流法测得的火焰传播速度分别为1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相对纹影法误差分别为1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%;对于过量空气系数为0.8的CH4/H2燃料,在掺氢比为0%~80%(10%递增)的情况下,离子电流法测得的火焰传播速度相对于纹影法的误差均在5%之内。该结果为离子电流法的层流火焰传播速度测量提供了理论、实验依据,测量方法简单易行、快捷准确、可行性高。     

燃气轮机中心分级燃烧器天然气掺氢燃烧的受迫振荡特性

天然气掺氢燃烧是燃气轮机机组降低碳排放重要措施之一,但掺氢燃料的组分变化会导致燃烧室火焰结构及燃烧稳定性发生变化.为分析中心分级燃烧器掺氢燃烧条件下的燃烧不稳定性问题,通过试验研究了燃烧器入口速度扰动下,不同掺氢比对中心分级掺氢燃烧的瞬态火焰结构、压力以及热释放响应的影响,并利用本征正交分解(POD)法提取了火焰脉动的特征模态,发现其主要包含火焰干涉区强脉动和轴向扰动两种模态.试验结果表明,随着掺氢体积比从0%增大到30%,火焰前沿向上游移动,两级火焰间距缩短,火焰干涉对应的脉动模态的能量占比增大,加强了压力与热释放的耦合,导致燃烧室内的压力响应增大9%,热释放响应增大37%.     

氩氧氛围下天然气缸内燃烧的离子电流特性

在一台改装的直列双缸火花点火发动机上,将进气由空气改为具有更高比热比的氩气和氧气的混合气,进气道喷射天然气,研究了氩-氧氛围下天然气缸内燃烧的离子电流特性.结果表明,相比于空气氛围,氩-氧氛围下缸内离子电流信号强度显著增强;在氩气体积分数为79%及以下时,离子电流信号特征值与基于缸压计算的燃烧特征值具有很强的一致性;离子电流信号能够检测缸内的爆震燃烧,具有很好的可靠性,但对爆震强度的敏感程度较弱.     

甲烷、煤尘复合体系燃烧特性及火焰结构的实验研究

利用高速摄像机、超细热电偶、离子电流探针、光电二极管等对管道内甲烷、煤尘复合体系中传播火焰进行了实验研究，对火焰传播特征和火焰结构进行了分析．结果表明，甲烷、煤尘复合体系中初期的火焰主要由甲烷空气的气相火焰构成，随着传播过程的进行，煤粒逐步开始参与燃烧，形成甲烷、煤尘的复合火焰．复合火焰中，煤粒热解和燃烧过程持续时间较长，火焰区域在传播过程中不断被拉长，火焰在较大的区域存在．甲烷、煤尘复合火焰的预热区厚度大约为2.57cm，预热区的后面是化学反应区，在这个区域中，化学反应强度迅速上升，温度也随着迅速升高，同时发出较强的光．对甲烷、煤尘复合体系火焰传播过程进行研究，可以为防止煤矿井下瓦斯、煤尘爆炸提供理论基础和技术支持.     

磁场作用下液体乙醇微尺度扩散火焰的实验研究

通过实验研究了微尺度扩散火焰的长度、温度以及火焰稳定燃烧的流量范围随磁感应强度变化的关系。实验结果表明：对液体乙醇微尺度扩散火焰,当其在固定磁场的作用下,火焰的高度会降低,火焰的温度会有所升高,火焰稳定燃烧的流量范围扩大。这是固定磁场对火焰中没有完全燃烧的离子和离子团作用的结果。实验结果为掌握磁场对液体燃料微尺度扩散火焰的影响规律,用磁场来强化微燃烧提供了有益的参考。     

MILD燃烧条件下掺氢比对甲烷-氢气湍流扩散火焰的影响

采用二维轴对称的仿真方法对JHC实验中的第二级MILD燃烧进行数值模拟,研究了燃料体积流量不变时,掺氢比对甲烷-氢气湍流扩散火焰的影响规律.结果表明:随着掺氢比增加,燃料与氧化剂的混合程度逐渐提高,混合气体的总流速及其径向分量不断减小,火焰锋面逐渐向氧化剂侧倾斜,OH自由基的最大质量分数呈现出先上升后下降的趋势;在燃烧温度方面,虽然MILD燃烧主要放热反应区域内的燃烧温度随掺氢比的增加不断增大,但当掺氢比大于20%时,掺氢比的进一步提高对最高燃烧温度影响很小.     

甲烷在具有隔热通道的微燃烧器中的燃烧特性

为了解微小Swiss-roll燃烧室的工作特点,用平板Swiss-roll燃烧器进行CH4/空气预混气的燃烧实验,获得了不同甲烷流量时燃烧器的熄火极限,分析了燃烧产物成分.结果表明:该燃烧器能够实现CH4/空气的稳定燃烧,并确保火焰位于燃烧器的中心;当存在回热时,未燃气体被加热,燃烧器的可燃极限范围增大,但上下极限并不对称,富燃极限比较小,而富氧极限比较大,预混气体能够在较大的空气流量下稳定燃烧;燃烧器最高的壁面温度在理论当量比附近,且随着空气流量的增大,火焰温度逐渐下降;空气过量时甲烷可实现较完全燃烧,空气不足时过剩的甲烷转化为H2和CO,减小了燃烧放热量,使燃烧器容易熄火.     

Experimental and LES investigation of flame propagation in a hydrogen/air mixture in a combustion vessel

This work presents an experimental and numerical investigation of premixed flame propagation in a hydrogen/air mixture in a closed combustion vessel. In the experiment, high-speed schlieren video photography and pressure sensor are used to examine the flame dynamics and pressure transient. In the numerical study, a large eddy simulation （LES） based on a RNG sub-grid approach and a LES combustion model is applied to reproduce experi- mental observations. The effects of four physical phenomena on the burning velocity are considered in the combustion model, and the impact of grid type on the combustion dynamics is examined in the LES calculations. The flame experiences four stages both in experiment and LES calculations with structured and unstructured grids, i.e., spherical flame, finger-shaped flame, flame with its skirt in contact with the sidewalls, and tulip-shaped flame. The flame speed and pressure in the vessel develop with periodical oscillations in both the experiment and LES simulations due to the interaction of flame front with pressure wave. The numerical simulations compare well with the detailed experimental measurements, especially in term of the flame shape and position, pressure build-up, and periodical oscillation behaviors. The LES combustion model is successfully validated against the bench-scale experiment. It is put into evidence that mesh type has an impact to a certain extent on the numerical combustion dynamics, and the LES calculation on structured grid canpredict the flame dynamics and pressure rise more accu- rately than that on unstructured grid with the same mesh resolution. The flame shape is more asymmetrical in the LES on an unstructured grid than that on a structured grid, and both the flame speed and the pressure rise at the later flame stage are underestimated in the LES on the unstructured grid.     

Experimental study on interference effect of rarefaction wave on laminar propagating flame

In order to study the interference effect of rarefaction wave on the laminar flame propagating structure and pressure characteristics of methane-air mixture, a small scale combustion chamber has been built. The techniques of high speed Schlieren photograph, pressure measurement and so on, are used to study the influence of rarefaction wave on the laminar flame propagating through methane-air mixture. The results show that, after the rarefaction wave acts on the propagation laminar flame, the laminar combustion is fully transformed into turbulent combustion just during several milliseconds, which leads to a sharp increase in the burning surface area and the pressure rise rate.     

管道内运动火焰生成压力波及其特性的研究

从一维非定常守恒方程出发 ,本文用Richtmyer Lax Wendroff格式研究了压缩波、稀疏波、燃烧速率、火焰熄灭和管道长度对管内运动火焰生成压力波的影响 .结果表明 :相对于火焰面 ,同向压力波和异向稀疏波会加速火焰传播 ;异向压力波和同向稀疏波使火焰传播减速 ;增大燃烧速率使得和火焰面两侧的压力、温度增大 ;火焰熄灭时 ,火焰面变为接触间断面 ,同时产生稀疏波向火焰面两侧传播 .此后 ,接触间断面几乎处于滞止状态 ;增加管子长度会促使燃烧向爆轰转变 .     

空气槽对微型Swiss-Roll燃烧器工作特性的影响

为了解空气槽对平板微型Swiss-roll燃烧器工作特性的影响,采用甲烷-空气预混气,在带有空气槽和没有空气槽的平板Swiss-roll燃烧器中进行燃烧实验,得到了不同甲烷流量时两种燃烧器的熄火极限和壁面温度.结果表明:甲烷-空气预混火焰能够稳定在两种燃烧器的中心;空气槽的存在有助于扩展微燃烧器的可燃极限,使燃烧器在更大的空气过量系数和更小的甲烷流量下工作;有空气槽的燃烧器中心壁面与边缘壁面存在较大的温度梯度,而没有空气槽的燃烧器外壁温度相差不大,更适合作为平面热源.     

二次喷油优化直喷汽油机冷启动排放特性的研究

研究了一种通过特殊活塞顶面形状结合二次喷射策略来解决直喷汽油机冷启动工况排放问题的新方法.该方法通过适当的二次喷油分配、结合缸内气流运动来改善燃油混合气的分布.利用AVL-Fire对不同喷油策略下直喷汽油机启动时缸内油气混合分布进行了模拟,对不同喷油策略的冷启动排放进行了实验研究.结果表明,采用特殊活塞顶面形状进行合理的壁面引导,同时结合二次喷油策略,能够优化直喷汽油机冷启动工况下缸内空燃比的分布,使得混合气浓度在火花塞附近略高,宜于火花点火,在火花塞周围略低,宜于火焰传播,从而提高燃烧的稳定性,减少燃油的湿壁现象,降低HC的排放.     

过滤燃烧火焰锋面不稳定性的实验研究

实验研究甲烷/空气预混气体在多孔介质燃烧器中燃烧的火焰锋面不稳定特性.结果表明,给定一个初始非均匀预热区域,在当量比为041,流速为042m/s时,在6mm的小球填充床内,火焰锋面由较为规则的对称火焰逐渐演变为倾斜火焰,并最终分裂为上下两个区域.在布置填充床的同时,对填充床进行夯实,降低孔隙率分布不均匀性.在孔隙率均匀的填充床内,初始的非均匀预热区域,使得火焰的传播极其不稳定,最终导致熄火;即使给定初始均匀的预热区域,火焰锋面依然具有一定的不对称性.填充床的结构不均性是过滤燃烧火焰锋面倾斜的主要原因,而初始的不均匀因素将加剧火焰传播的不稳定性.     

改善增压天然气发动机排放特性的途径

通过试验研究增压稀薄燃烧天然气发动机的排放特性,以及排气温度受过量空气系数λ的影响,研究结果表明:随着过量空气系数的增大,NOx与CO和HC的排放量变化趋势相反;压缩天然气发动机采用稀薄燃烧(λ＞1.0)技术的源排放能达到国Ⅲ标准,在加装普通三效催化转化器(TWC)后,其排放也只能达到国Ⅲ标准.原因是普通三效催化转化器只有在λ≈1.0时,其转化效率最高;米勒循环发动机的膨胀比大于压缩比,这有利于降低排气温度和提高热效率.因此,本文提出天然气发动机达到国Ⅳ排放标准一种新的技术路线:基于当量比燃烧(λ=1.0)的米勒循环技术,通过连续可变气门正时(CVVT)机构来调节气阀的开启和关闭时刻.采用该技术可以适当地增大发动机的压缩比,从而保证发动机的动力性和提高热效率,又可有效地降低排气温度,实现当量比燃烧,极大地提高了排放污染物在三效催化转化器中的转化效率,使天然气发动机排放达到国Ⅳ排放标准.