頁巖氣預混火焰及發(fā)動機燃燒過程穩(wěn)定性研究.pdf

1、頁巖氣是一種存在于致密細碎屑巖中的非常規(guī)天然氣，主要成分為CH4，是具有潛力的發(fā)動機替代燃料。我國頁巖氣資源賦存豐富，不同地區(qū)頁巖氣組分存在差異，影響預混燃燒速度，導致發(fā)動機燃燒循環(huán)變動不同，有必要圍繞頁巖氣組分對預混火焰及發(fā)動機燃燒過程穩(wěn)定性的影響開展研究。
　　全文共分7章，主要圍繞頁巖氣的預混火焰，頁巖氣發(fā)動機燃燒過程與循環(huán)變動的變化規(guī)律，以及發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的改善措施等三個方面開展了研究。采用定容燃燒彈試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合

2、的方法，探討了頁巖氣預混火焰?zhèn)鞑ミ^程的變化規(guī)律。根據(jù)頁巖氣發(fā)動機臺架試驗的結(jié)果，分析了組分對發(fā)動機燃燒過程的影響，研究了燃燒特征參數(shù)的循環(huán)變動規(guī)律，探討了循環(huán)變動的非線性動力學特征。提出雙火花塞點火和頁巖氣摻混HHO兩種措施改善發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性，通過試驗研究的方法，分析了改善措施對頁巖氣發(fā)動機循環(huán)變動的影響，采用數(shù)值模擬的方法，探討了缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程的變化規(guī)律。
　　初始條件和惰性氣體含量對頁巖氣預混火焰的傳播過程存在影響。采用

3、定容燃燒彈試驗系統(tǒng)，針對頁巖氣組分進行了配比，研究了頁巖氣預混火焰的傳播速度，分析了火焰前鋒面的穩(wěn)定性，探討了預混燃燒速度與火焰穩(wěn)定性的關(guān)系；通過數(shù)值模擬的方法，分析了預混燃燒過程中物質(zhì)濃度的變化規(guī)律，結(jié)合生成速率和敏感性分析的研究，探討了頁巖氣中CH4的消耗過程，研究了絕熱火焰溫度對化學反應速率的影響。研究表明，初始溫度對化學反應速率的影響較小，H+OH基摩爾分數(shù)峰值增大，是造成預混燃燒速度變快的主要原因；當初始壓力提高時，化學反應速

4、率明顯提高，導致H、O和OH基的濃度減小，火焰的傳播速度變慢，火焰前鋒面的穩(wěn)定性下降；當量比為1.0時，預混火焰的傳播速度最快，稀薄混合氣對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种谱饔脧娪跐饣旌蠚?，隨著當量比增加，火焰前鋒面逐漸穩(wěn)定；R1反應對 CH4消耗速率的影響最大，CH3基是評價 CH4消耗速率的重要自由基，隨著 CH4含量的增大，CH3基濃度降低，CH4的消耗速率下降，導致火焰的傳播速度減??；惰性氣體抑制絕熱火焰溫度，化學反應速率減小，火焰的傳播速度

5、降低，火焰前鋒面的穩(wěn)定性下降，CO2對預混燃燒速度的抑制作用明顯強于N2。
　　采用進氣道預混的方式，將單缸試驗汽油機改造為頁巖氣發(fā)動機，通過發(fā)動機臺架試驗，配比了不同組分的頁巖氣，研究了不同氣體組分對缸內(nèi)壓力及放熱過程的影響，分析了缸內(nèi)壓力的循環(huán)變動規(guī)律，探討了最大爆發(fā)壓力對應的曲軸轉(zhuǎn)角與最大爆發(fā)壓力和平均指示壓力的關(guān)系，通過各曲軸轉(zhuǎn)角處壓力的波動，研究了發(fā)動機不同工作階段對循環(huán)變動的影響。研究表明，當CH4含量增加時，最大爆發(fā)

6、壓力下降，對應的曲軸轉(zhuǎn)角遠離上止點，放熱過程變慢，最大爆發(fā)壓力及對應曲軸轉(zhuǎn)角的循環(huán)變動增大；N2和CO2等惰性氣體抑制了缸內(nèi)的燃燒速度，發(fā)動機的動力性下降，隨著頁巖氣中惰性氣體含量的增加，燃燒循環(huán)變動增大，各循環(huán)最大爆發(fā)壓力及對應曲軸轉(zhuǎn)角分布的相關(guān)性減小，部分燃燒循環(huán)和失火循環(huán)增多，發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性下降；燃燒階段的缸內(nèi)壓力變動是頁巖氣發(fā)動機產(chǎn)生循環(huán)變動的主要原因。
　　采用非線性動力學的方法，研究了頁巖氣發(fā)動機循環(huán)變動的動力學特

7、征。根據(jù)相空間重構(gòu)理論，分析了相空間軌跡的運動規(guī)律，探討了循環(huán)變動對相空間軌跡的影響；采用龐加萊映射的方法，降低了相空間的維數(shù)，研究了相空間軌跡與龐加萊截面交點的分布規(guī)律；通過燃燒特征參數(shù)的返回映射，分析了燃燒過程確定性的變化規(guī)律；探討了氣體組分對關(guān)聯(lián)維數(shù)和最大Lyapunov指數(shù)等混沌特征參數(shù)的影響。研究表明，頁巖氣發(fā)動機燃燒過程中，缸內(nèi)壓力在整個相空間呈現(xiàn)出類似準周期的狀態(tài)，隨著頁巖氣中CH4、N2和CO2含量的增大，圓弧段軌跡逐漸

8、分散，發(fā)動機燃燒過程的隨機性增強；相空間軌跡在∑XY+截面的龐加萊映射點呈單調(diào)遞增分布，當惰性氣體含量增加時，散點的線性關(guān)系逐漸增強，軌跡與∑XY-和∑XZ-截面的交點呈單調(diào)遞減分布；燃燒特征參數(shù)的返回映射點呈團狀分布，當N2和CO2含量增大時，部分散點分布在映射點密集區(qū)域的左側(cè)和下側(cè)，為部分燃燒循環(huán)或失火循環(huán)；頁巖氣發(fā)動機燃燒過程表現(xiàn)出一定的混沌特征，隨著燃燒循環(huán)變動的增加，關(guān)聯(lián)維數(shù)和最大Lyapunov指數(shù)增大，混沌特征逐漸明顯。<

9、br>　　針對雙火花塞點火對頁巖氣發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的影響。通過試驗研究的方法，分析了點火位置和點火時刻對燃燒過程的影響，探討了發(fā)動機燃燒過程穩(wěn)定性隨點火提前角的變化規(guī)律，研究了同步雙點和異步雙點對燃燒過程與循環(huán)變動的影響，分析了燃燒循環(huán)變動的非線性動力學特征；采用數(shù)值模擬的方法，探討了當點火提前角和點火數(shù)量發(fā)生變化時缸內(nèi)火焰的傳播過程。研究表明，點火位置與燃燒室中心距離縮短時，火焰發(fā)展期的變化較小，快速燃燒期縮短，燃燒速度增大，最大爆發(fā)

10、壓力上升，對應的曲軸轉(zhuǎn)角提前；隨著點火提前角的減小，部分頁巖氣推遲到膨脹做功階段燃燒，缸內(nèi)的湍動能減小，火焰的傳播速度降低，最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值下降，預混時間延長導致火焰發(fā)展期縮短，燃燒循環(huán)變動增大，部分燃燒和失火循環(huán)增多，相空間軌跡逐漸分散，發(fā)動機工作穩(wěn)定性下降；頁巖氣發(fā)動機采用雙火花塞點火時，缸內(nèi)的湍動能增大，火焰的傳播距離縮小，火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷婷芏忍岣?，導致火焰發(fā)展期和快速燃燒期縮短，缸內(nèi)的燃燒溫度升高，同步雙點對火焰?zhèn)鞑?/p>

11、速度的促進作用強于異步雙點，燃燒循環(huán)變動較小，發(fā)動機燃燒過程的確定性較強，混沌特征減弱。
　　圍繞布朗氣（HHO）對頁巖氣發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的影響，通過臺架試驗，研究了頁巖氣發(fā)動機摻混HHO的燃燒過程，分析了缸內(nèi)壓力的循環(huán)變動規(guī)律，探討了燃燒特征參數(shù)之間的相互關(guān)系，研究了循環(huán)變動動力學特征隨HHO含量的變化規(guī)律；通過數(shù)值模擬的方法，探討了缸內(nèi)溫度場的變化，研究了HHO含量對火焰面速度與火焰面密度的影響。研究表明，頁巖氣發(fā)動機摻混 H

12、HO后缸內(nèi)壓力升高，壓力升高率的分布范圍增大，放熱率峰值增加，火焰發(fā)展期和快速燃燒期縮短；隨著HHO含量的增加，燃燒循環(huán)變動減小，發(fā)動機燃燒過程的穩(wěn)定性提高，各循環(huán)最大爆發(fā)壓力與對應曲軸轉(zhuǎn)角分布的相關(guān)性增強，部分燃燒等不正常燃燒現(xiàn)象得到改善，相空間軌跡分布逐漸密集，發(fā)動機燃燒過程的周期性提高，混沌特征減弱；隨曲軸轉(zhuǎn)角的增大，缸內(nèi)的最高燃燒溫度增大，火焰的傳播速度加快，火焰面密度的峰值提高，快速燃燒期中期，燃燒室底部火焰逐漸向左右兩側(cè)移動