基于定容燃烧弹的甲烷掺氢燃烧特性研究

【摘要】：随着全球汽车保有量的增加,石油紧缺、大气污染的问题越来越严重,寻找合适的车用替代燃料已经成了当务之急。相比醇类燃料、二甲醚、生物柴油,天然气具有低排放、高辛烷值、抗爆性好等优势,而天然气的主要成分是甲烷,因此研究甲烷的燃烧特性对未来天然气发动机优化设计具有重要意义。 定容燃烧弹作为一种常用的模拟试验装置是揭示内燃机缸内燃烧过程机理的有效手段,它可以有选择地控制该过程的某些主要条件,简化试验工作,便于找出燃烧过程某些参数之间的内在联系。 本文首先介绍了自主开发的定容燃烧试验系统。本系统主要有定容燃烧弹本体、进排气系统、温度控制系统、点火系统、火焰图片采集系统、压力采集系统、同步控制系统等7个子系统组成,其中使用ANSYS软件结合理论力学对定容燃烧弹本体进行了加载强度校核。该系统可以控制可燃混合气的初始温度和初始压力,采集燃烧过程的瞬态压力和火焰扩散图片,用于内燃机各种气体代用燃料的燃烧特性研究。 然后在已搭建好的定容燃烧试验系统上进行了甲烷及甲烷掺氢燃料的燃烧实验。通过改变混合气的初始温度、初始压力、当量比和掺氢比,采集燃烧压力曲线和火焰纹影图片,经过对比分析得到了各初始条件对甲烷的燃烧速率、最大燃烧压力、最大压力升高率、火焰发展期、燃烧持续期和燃烧稳定性的影响规律。 最后在带隔板的定容燃烧弹上进行了自燃的现象研究,对照燃烧压力和火焰传播纹影图像提出了下燃烧室发生自燃现象的判断方法。研究了初始压力、初始温度、当量比、掺氢比、隔板的位置、隔板孔径、隔板孔数等参数对自燃发生及燃烧压力的影响。实验结果表明,燃烧室内安装横隔板后可以实现甲烷的快速燃烧。 【关键词】：定容燃烧弹 纹影 甲烷 自燃
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK437
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 常用符号6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 内燃机代用燃料的发展现状及趋势10-17
• 1.1.1 内燃机代用燃料的要求和分类10-14
• 1.1.2 国内外代用燃料发展现状14-17
• 1.2 燃烧模拟装置分类17-22
• 1.2.1 单缸试验机18-19
• 1.2.2 快速压缩膨胀机19-20
• 1.2.3 多功能燃烧弹20-21
• 1.2.4 激波管21-22
• 1.2.5 定容燃烧弹22
• 1.2.6 定容燃烧弹研发的实际意义和应用范围22
• 1.3 本课题的主要研究内容及意义22-24
• 第2章 定容燃烧试验系统开发24-48
• 2.1 定容燃烧弹弹体设计24-30
• 2.1.1 定容燃烧弹弹体的试验条件及要求24
• 2.1.2 定容燃烧弹弹体三维图的设计24-28
• 2.1.3 定容燃烧弹ANSYS 强度校核28-30
• 2.1.4 定容燃烧弹螺栓强度校核30
• 2.2 进排气系统30-34
• 2.2.1 管路设计31
• 2.2.2 U 型水银压力计31-32
• 2.2.3 预混罐设计32-33
• 2.2.4 混合气配置方法33-34
• 2.3 点火控制系统34-35
• 2.4 温度控制系统35-40
• 2.4.1 温度传感器选型36-37
• 2.4.2 加热元件选型37-39
• 2.4.3 温控箱制作39-40
• 2.5 火焰图片采集系统40-43
• 2.5.1 高速摄影系统40-41
• 2.5.2 纹影系统41-43
• 2.6 压力采集系统43-46
• 2.7 同步控制系统46
• 2.8 定容燃烧弹密封问题46-47
• 2.9 本章小结47-48
• 第3章 甲烷掺氢在统一式定容燃烧弹内的实验研究48-64
• 3.1 试验系统及试验方案48-49
• 3.2 初始压力对甲烷掺氢燃烧特性的影响49-54
• 3.2.1 初始压力对燃烧压力的影响49-51
• 3.2.2 初始压力对火焰传播特性的影响51-54
• 3.3 初始温度对甲烷掺氢燃烧特性的影响54-57
• 3.3.1 初始温度对燃烧压力的影响54-56
• 3.3.2 初始温度对火焰传播特性的影响56-57
• 3.4 当量比对甲烷掺氢燃烧特性的影响57-62
• 3.4.1 当量比对燃烧压力的影响57-61
• 3.4.2 当量比对火焰传播特性的影响61-62
• 3.5 掺氢比对最大燃烧压力一致性的影响62-63
• 3.6 本章小结63-64
• 第4章 甲烷掺氢在带横隔板定容燃烧弹内的实验研究64-78
• 4.1 试验装置及试验方案64-65
• 4.1.1 带横隔板的定容燃烧弹结构介绍64-65
• 4.1.2 试验方案65
• 4.2 下燃烧室自燃判别方法65-70
• 4.2.1 根据压力升高率进行判别65-66
• 4.2.2 根据火焰传播照片进行判别66-68
• 4.2.3 对比引燃现象进行判别68-70
• 4.3 混合气初始状态参数对下燃烧室发生燃烧的影响70-73
• 4.4 横隔板参数对下燃烧室发生燃烧的影响73-76
• 4.4.1 横隔板上孔的大小对燃烧的影响73-74
• 4.4.2 横隔板上孔的个数对燃烧的影响74-75
• 4.4.3 横隔板安装位置对燃烧的影响75-76
• 4.5 本章小结76-78
• 总结与展望78-80
• 总结78-79
• 展望79-80
• 参考文献80-84
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文84-86
• 致谢86

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