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。     

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。     

汽油在O2/CO2氛围下燃烧特性试验

基于定容燃烧可视化光学平台,模拟缸内直喷(GDI)汽油机缸内燃烧环境,研究汽油在O2/CO2氛围和空气氛围下均质燃烧特性以及火焰传播特性,研究结果表明当循环喷油量一定时,相比于空气氛围,汽油在氧气浓度为40%的O2/CO2氛围下燃烧的压力升高率提高了1.8倍,着火落后期和明显燃烧期缩短近50%,放热率的峰值增大了近1倍,且峰值相位提前。过量空气系数对汽油在O2/CO2氛围下燃烧的影响较大,化学当量比时放热率的峰值达到最大,随着过量空气系数增大,最大燃烧压力增大,最大压力升高率下降,放热率的峰值下降,且峰值相位后移,反应速率下降,明显燃烧期增大,且火焰传播速度明显下降。     

汽油在O_2/CO_2氛围下燃烧特性的试验研究

基于定容燃烧可视化光学平台,模拟缸内直喷(GDI)汽油机缸内燃烧环境,研究汽油在O_2/CO_2氛围和空气氛围下均质燃烧特性以及火焰传播特性。研究结果表明当循环喷油量一定时,相比于空气氛围,汽油在氧气浓度为40%的O_2/CO_2氛围下燃烧的压力升高率提高了1.8倍,着火落后期和明显燃烧期缩短近50%,放热率的峰值增大了近1倍;且峰值相位提前。过量空气系数对汽油在O_2/CO_2氛围下燃烧的影响较大,化学当量比时放热率的峰值达到最大。随着过量空气系数增大,最大燃烧压力增大,最大压力升高率下降,放热率的峰值下降,且峰值相位后移,反应速率下降,明显燃烧期增大,且火焰传播速度明显下降。     

直线发动机起动及怠速燃烧特性仿真与优化

通过建立GT-Power发动机仿真模型研究直线发动机的起动及怠速过程的燃烧特性,利用发动机台架实验获取的缸压数据和GT-Power仿真结果的对比,验证了仿真模型的准确性,分析不同点火时刻及过量空气系数对直线发动机起动定转速下燃烧特性的影响,并对怠速控制参数进行寻优研究.结果表明:在相同过量空气系数下,推迟点火时刻从-50°(上止点之前,下同)到20°,直线发动机后燃现象逐渐增多,并在点火时刻为-40°时,缸压峰值、瞬时放热率峰值最大以及累积放热总量均达到最大值;在相同的点火时刻下,减小过量空气系数从1.62到0.62,直线发动机缸内压力峰值先增后减,在过量空气系数为0.83时,直线发动机缸压峰值、瞬时放热率峰值最大,累积放热总量较多.     

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。     

基于MATLAB图像处理的大缸径定容弹中甲烷/空气射流火焰传播特性

在带有预燃室的大缸径定容燃烧系统中进行甲烷/空气射流引燃主燃室内预混气体的实验研究.基于MATLAB软件平台编写火焰图像批处理算法,并通过该算法进行图像预处理进而获取特征参数;通过分析瞬时压力曲线以及高速摄影仪拍摄的火焰传播图像,研究甲烷/空气预混射流火焰的传播特性以及初始压力和过量空气系数等初始条件对射流火焰发展过程及火焰传播速度的影响.研究结果表明:位于预燃室中的火花塞偏置会造成主燃室内的引燃射流火焰的不均衡发展,且这种不均衡性在过量空气系数越小时愈发严重;射流火焰传播速率随初始压力和过量空气系数的增大而减小,并且当过量空气系数较小(λ=0.8)时,射流火焰对背压的变化较为敏感.     

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.     

碳氢燃料燃烧热效应的化学平衡算法

基于化学平衡计算方法，提出了计算燃料燃烧热效应的新方法。以甲烷（CH4）为例求解了其在不同空燃比和反应温度条件下的产物组分及浓度。从化学热力学的角度，在较完整反应式的基础上，得到了CH4的反应热与反应温度和计量空气系数的关系，从而揭示了CH4环保、经济的燃烧条件是反应温度低于2400K，且过量空气系数大于1。对压缩天然气的燃烧计算和模拟结果表明：在发动机燃烧计算和模拟中，采用化学平衡分析热效应处理方法比低热值定等处理方法更合理。     

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.     

低热值气体燃料掺氢火焰稳定性的研究

基于直接数值模拟方法和详细化学反应机理研究了流体动力学不稳定性和热-质扩散不稳定性共同作用下的低热值气体燃料掺氢胞状火焰的发展和演变过程.建立了多组分气体燃料燃烧控制方程,获得了不稳定性作用下的低热值气体燃料掺氢胞状火焰的多种演变形式:胞的分裂、局部熄灭、二次熄灭和再燃.研究结果表明随着燃料中H2的增加,胞状火焰出现的时间提前,火焰胞的幅值增加.随着燃料中CO2的增加,火焰的不稳定性受到抑制.低热值气体燃料掺氢火焰在不稳定时会出现火焰胞的分裂、局部熄灭和再燃等3种动力学形态.胞的二次熄灭只发生在热-质扩散不稳定性较强的稀燃H2/空气火焰中.     

不同加湿模式下甲烷湍流燃烧特性数值模拟

为研究水蒸气对甲烷燃烧的影响,基于简化的24步甲烷气相反应动力学机理,通过数值模拟的方法研究了在助燃空气和燃料中分别添加同体积的水蒸气对甲烷同轴湍流扩散火焰流场、组分浓度分布及污染物生成的影响,重点分析了中间产物OH基团对燃烧温度、污染物生成的影响.结果 表明:添加水蒸气后,两种加湿方式下整体燃烧室温度均降低,燃料预混水蒸气燃烧方式下降低幅度较大;该模式下对控制污染物排放效果优于空气预混水蒸气,最后基于燃烧稳定性和控制污染物排放确定了一种最优的蒸汽燃料预混比例为71.4％ CH4/28.6％ H2O.     

基于Python的CO2/O2氛围下柴油燃烧火焰特征分析

为分析柴油在CO2/O2氛围下燃烧的火焰特征,利用光学定容燃烧室测试并拍摄了6种不同工况下的柴油燃烧过程. 基于自编的Python代码对火焰图像进行后处理,提取出火焰浮起长度、红绿分量比、平均亮度、相关性系数、面积变化率和重叠率等特征参数并进行分析. 结果表明：在空气和CO2/O2氛围下,柴油火焰浮起长度和相关性均随燃烧进程先增大后减小再增大,平均亮度则先增大后减小,其在空气下和35% CO2+65% O2氛围下的峰值分别为210.75 px和138.89 px. 在火焰发展阶段,红绿分量比保持在0.8~1.2之间,而在火焰熄灭阶段,随着CO2浓度减小和O2浓度增大,红绿分量比有所减小. 与在空气下燃烧相比,柴油在CO2/O2氛围下的燃烧火焰形状更加细长,湍流现象更加明显,火焰浮起长度缩短,平均亮度下降.     

炼厂尾气绝热燃烧模型建立和计算

研究了炼厂尾气的燃烧规律,基于对所有可能组成的炼厂气的分析,建立了燃气绝热燃烧过程的数学模型,该模型采用MATLAB编程求解,可用来求解任意组成的燃气的理论火焰温度和热效率,讨论了过量空气系数和燃气中二氧化碳、硫化氢、氢气、烯烃、烷烃等气体的相对组成对理论火焰温度及锅炉热效率的影响。结果显示:过量空气系数和二氧化碳、硫化氢含量是关键影响因素;理论火焰温度和锅炉热效率随过量空气系数的增大而减小;随着CO2相对含量的增大,理论火焰温度和燃烧效率有所降低,CO2含量在20%以上时影响较为明显;H2S含量对排烟温度有较大影响,热效率随排烟温度升高而减小。     

长直管道燃烧器中离子电流信号的特征分析及其在发动机中的应用

离子电流法作为一种新型的发动机检测方法已经得到了越来越广泛的应用。本试验用离子电流法,在长直管道燃烧器中对压缩天然气-空气混合气的燃烧特性进行了实验研究。实验发现,在天然气燃烧中,离子电流信号由火焰前锋区和燃烧后区两个峰值部分组成,火焰前锋区的离子主要由H3O 和自由电子组成,而燃烧后区的离子主要由NO 和自由电子组成。同时还发现,在火焰前锋区和燃烧后区内,随着偏置电压的升高,电场力加大,电场荷电作用增强,离子电流会增大。本试验为离子电流法在汽车代用燃料燃烧研究领域中的应用进行了一些基础研究。     

O2/CO2环境对柴油燃烧特性的影响

为计算柴油在O2/CO2环境中火焰浮起长度（FLOL）,提出了柴油的耦合计算模型。该模型基于空气卷吸率计算公式,考虑了O2和CO2对FLOL的影响,引入空气与燃料的动态化学当量比,得到了O2/CO2环境中FLOL的计算公式。运用Converge软件对柴油的表征燃料正庚烷建立化学模型和物理模型,搭建了定容燃烧弹可视化试验台。对柴油在空气、50%O2/50%CO2和57%O2/43%CO2环境中的FLOL进行计算与试验,并对燃烧过程、温度云图和FLOL进行了分析。结果表明：该模型能计算柴油在O2/CO2环境中的FLOL,计算的最大平均误差为8.6%。     

流化床反应器内NO和N2O生成的影响因素分析

以流化床反应器为对象,通过数值模拟,研究过量空气系数、煤种及煤与生物质混烧对NO和N2O生成的影响。研究结果表明,流化床反应器燃烧过程中产生的氮氧化物主要是NO和N2O,且NO和N2O随过量空气系数的增加而明显增加;NOx的生成量还和煤种有很大关系。煤的含氮量、煤中氧与氮的质量比和氢与氮的质量比都会直接影响NO和N2O的生成量。采用煤与生物质混烧的方法,羧基主要作用于中间产物HCN,从而减少NO和N2O的生成量。煤与生物质混烧可以降低燃烧过程中NO和N2O的排放。     

掺氢对天然气燃烧室燃烧及排放特性影响数值模拟研究

本文针对以天然气为燃料的燃气轮机使用掺氢燃料后的燃烧及其排放特性开展研究,基于DLN1.0燃烧室火焰筒,采用数值模拟的方法研究不同的掺氢比(H2体积含量0~30%一共7种工况)在恒定热功率和相同当量比条件下对天然气混合气燃烧过程的影响,获得火焰筒内流场、温度场和燃烧产物的分布参数以及对应关系。研究显示,随着掺氢比的增加火焰温度上升,燃烧反应区扩大,火焰筒出口处的温度分布均匀性变差;掺氢造成局部释热量的改变,会导致NOx的排放随着掺氢比的增加而呈现增加趋势;CO和CO2的排放量都有显著的减少,H2O的生成量显著增加。同时本文提出稀释燃烧的方法来解决由掺氢造成的一系列问题,研究不同当量比的工况下掺氢燃烧后的燃烧及排放特性变化,并计算得到各个掺氢比工况下最佳的当量比范围。研究结果为后续工业燃气轮机天然气掺氢燃烧技术的应用提供了理论指导。