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CO2摻混比對(duì)甲烷HCCI燃燒特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

2020-01-22 00:58:35·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
近年來，對(duì)常規(guī)尺度HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的研究表明，CO2可明顯改善HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況，抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃現(xiàn)象，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中加入CO2后發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍明顯擴(kuò)大，工況
近年來，對(duì)常規(guī)尺度HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的研究表明，CO2可明顯改善HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況，抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃現(xiàn)象，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中加入CO2后發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍明顯擴(kuò)大，工況范圍拓寬。目前對(duì)微型自由活塞動(dòng)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(dòng)力裝置的連續(xù)循環(huán)過程的試驗(yàn)研究難以開展，本次推文關(guān)注試驗(yàn)方法，對(duì)微型HCCI自由活塞動(dòng)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(jìn)行研究，從而為微型動(dòng)力裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火、可靠燃燒以及微動(dòng)力裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)低溫燃燒提供理論依據(jù)。
 
試驗(yàn)裝置與工作原理
為研究CO2對(duì)微動(dòng)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(yàn)臺(tái)架，試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。通過流量計(jì)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?dú)獾膲毫榛钊峁┎煌某跏妓俣?，自由活塞壓燃混合氣，高速?shù)碼相機(jī)拍攝整個(gè)過程圖像，并通過 Photron FASTCAM Analysis 軟件分析計(jì)算數(shù)據(jù)采集儀所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出自由活塞位移和速度隨時(shí)間的變化曲線；同時(shí)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(shí)刻微燃燒室內(nèi)溫度與壓力變化特性。試驗(yàn)中微壓力傳感器測(cè)壓范圍為0～100 MPa，頻率為100kHz，通過燃燒分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
圖1 微型自由活塞動(dòng)力裝置試驗(yàn)臺(tái)架示意
 
試驗(yàn)初始條件與參數(shù)不確定性
微型自由活塞動(dòng)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(jìn)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(shí)在試驗(yàn)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(dòng)力裝置幾何參數(shù)與初始條件
在試驗(yàn)中，活塞的初始速度由高壓氮?dú)馔ㄟ^氣動(dòng)裝置提供。當(dāng)氣動(dòng)裝置為自由活塞提供初始速度時(shí)，不可能確保每次施加在活塞上的力的方向正對(duì)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(dòng)慣量變化，這甚至?xí)?dǎo)致活塞旋轉(zhuǎn)，可能會(huì)對(duì)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(xì)加工和電鍍處理，但實(shí)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(shí)，試驗(yàn)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(huì)造成一定的熱量損失，使溫度和壓力的測(cè)量值偏離實(shí)際值。這些參數(shù)存在很大的不確定性，試驗(yàn)中無法給出數(shù)值和確定條件。因此，為了簡(jiǎn)化研究，不考慮這些實(shí)際存在而又無法確定的參數(shù)，在對(duì)變參數(shù)的研究中，同一組試驗(yàn)重復(fù)研究5次，刪除其中誤差較大的測(cè)量點(diǎn)并求平均值，保證試驗(yàn)結(jié)果的精確度與可信度。
 
試驗(yàn)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(jī)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(shí)微燃燒室內(nèi)甲烷著火燃燒的試驗(yàn)照片)。當(dāng)α＝0 時(shí)，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(duì)試驗(yàn)圖片進(jìn)一步處理得到α＝0時(shí)混合氣的著火時(shí)刻約1ms；當(dāng)α＝0.2時(shí)，著火時(shí)刻約為1.025ms；當(dāng)α＝0.4時(shí)，著火時(shí)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(duì)甲烷的壓燃過程具有抑制作用。試驗(yàn)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(shí)刻、擴(kuò)展HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷范圍。
圖2 不同CO2 摻混比下甲烷著火燃燒試驗(yàn)照片
圖3為通過處理試驗(yàn)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(shí)，活塞返回時(shí)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(duì)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(gè)行程所耗時(shí)間增大，當(dāng)α＝0.2 時(shí)，活塞末速度約為 26.3 m/s，行程總時(shí)長(zhǎng)約為1.83ms；當(dāng)α＝0.4時(shí)，活塞末速度約為 25.0 m/s，行程總時(shí)長(zhǎng)約為1.88ms，這是因?yàn)镃O2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(gè)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(shí)，微燃燒室內(nèi)的溫度與壓力都有一個(gè)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(dá)甲烷的著火點(diǎn)，甲烷著火，混合氣體在短時(shí)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(duì)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(shí)，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(dòng)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(dòng)力裝置輸出的指示功減少。當(dāng)α由0.2增加到0.4時(shí)，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(shí)刻推后，活塞單次壓縮沖程需要的時(shí)間有所增加，整個(gè)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(dòng)力裝置做功能力的提高。
圖5 不同CO2摻混比下微動(dòng)力裝置 p-V
 
結(jié)論
由研究可知，甲烷摻混CO2會(huì)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(dá)到0.58時(shí)，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(dòng)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(shí)，應(yīng)選擇合適的CO2摻混比。
 
文獻(xiàn)來源及推薦閱讀
[1]趙巖,王謙,吳凡,柏金.CO2摻混比對(duì)甲烷HCCI燃燒特性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2019,37(05):385-392.
 
 
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