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CO2掺混比对甲烷HCCI燃烧特性影响的实验研究

2020-01-22 00:58:35·  来源：内燃机学报  
　
近年来，对常规尺度HCCI发动机燃烧过程的研究表明，CO2可明显改善HCCI发动机燃烧情况，抑制发动机爆燃现象，HCCI发动机中加入CO2后发动机负荷范围明显扩大，工况
近年来，对常规尺度HCCI发动机燃烧过程的研究表明，CO2可明显改善HCCI发动机燃烧情况，抑制发动机爆燃现象，HCCI发动机中加入CO2后发动机负荷范围明显扩大，工况范围拓宽。目前对微型自由活塞动力装置的研究还处于理论探索阶段，基于微尺度条件下，微型自由活塞动力装置的连续循环过程的试验研究难以开展，本次推文关注试验方法，对微型HCCI自由活塞动力装置内自由活塞单次冲击过程中甲烷掺混不同比例的CO2下混合气的燃烧特性进行研究，从而为微型动力装置内实现稳定着火、可靠燃烧以及微动力装置内实现低温燃烧提供理论依据。
 
试验装置与工作原理
为研究CO2对微动力装置内甲烷均质压燃燃烧特性的影响，建立了自由活塞单次冲击过程可视化试验台架，试验台架如图1所示。通过流量计与质量流量控制器制备掺混不同比例CO2的甲烷/氧气混合气，并通入由高硼硅制成的可视化微燃烧室，通过调节高压氮气的压力为活塞提供不同的初始速度，自由活塞压燃混合气，高速数码相机拍摄整个过程图像，并通过 Photron FASTCAM Analysis 软件分析计算数据采集仪所获得的试验数据，得出自由活塞位移和速度随时间的变化曲线；同时通过连接在微燃烧室底部的快速响应热电偶温度传感器与微压力传感器获取微燃烧室内不同工况、不同时刻微燃烧室内温度与压力变化特性。试验中微压力传感器测压范围为0～100 MPa，频率为100kHz，通过燃烧分析仪进行数据处理。
图1 微型自由活塞动力装置试验台架示意
 
试验初始条件与参数不确定性
微型自由活塞动力装置几何参数与初始条件如表1所示。为保证自由活塞与微燃烧室之间良好的气密性，防止混合气从微燃烧室内发生泄漏，自由活塞与微燃烧室采用分离加工的特种加工方法并在其表面进行了电镀处理，微燃烧室与自由活塞间存在最大间隙值为2µm。研究中，装置的换气过程不被考虑。同时在试验中为方便讨论，将甲烷燃料的CO2掺混比定义为混合燃料中CO2的体积与甲烷和CO2的体积之和的比。
表1 微型自由活塞动力装置几何参数与初始条件
在试验中，活塞的初始速度由高压氮气通过气动装置提供。当气动装置为自由活塞提供初始速度时，不可能确保每次施加在活塞上的力的方向正对活塞端面的中心。虽然保证活塞初始速度为20m/s，但施加在活塞上的力偏心引起活塞的转动惯量变化，这甚至会导致活塞旋转，可能会对研究结果产生影响。虽然活塞表面和微燃烧室内壁经过精细加工和电镀处理，但实际上仍然存在很小的粗糙度，即自由活塞在 压缩冲程和膨胀冲程期间仍然具有很小的摩擦阻力。同时，试验过程中微传感器(微温度/压力传感器)与微燃烧室底部的连接也会造成一定的热量损失，使温度和压力的测量值偏离实际值。这些参数存在很大的不确定性，试验中无法给出数值和确定条件。因此，为了简化研究，不考虑这些实际存在而又无法确定的参数，在对变参数的研究中，同一组试验重复研究5次，删除其中误差较大的测量点并求平均值，保证试验结果的精确度与可信度。
 
试验结果与分析
图2为在表1条件下、自由活塞单次冲击过程中高速数码相机摄录的一系列微燃烧室内甲烷着火照片(CO2掺混比α为0、0.2和0.4 时微燃烧室内甲烷着火燃烧的试验照片)。当α＝0 时，由于微燃烧室内混合气的压缩比较大，甲烷/氧气混合气压燃过程中发生剧烈的化学反应，释放很大的能量，发出明亮的火焰，产生的高温、高压使微燃烧室发生破裂；随着α的增大，压燃过程中火焰的亮度逐渐变暗，微燃烧室内甲烷的均质压燃过程逐渐减慢，着火的可靠程度减低；对试验图片进一步处理得到α＝0时混合气的着火时刻约1ms；当α＝0.2时，着火时刻约为1.025ms；当α＝0.4时，着火时刻约为1.05ms。可知CO2的加入使甲烷均质压燃着火延迟，并对甲烷的压燃过程具有抑制作用。试验结果表明：甲烷掺混CO2后，甲烷均质燃烧着火延迟，燃烧过程减慢，可见CO2有利于控制着火时刻、扩展HCCI发动机运行负荷范围。
图2 不同CO2 掺混比下甲烷着火燃烧试验照片
图3为通过处理试验图片获得的不同CO2掺混比下自由活塞位移与速度变化曲线。当CO2掺混比分别为0、0.2和0.4时，活塞返回时的位移曲线的斜率均大于压缩过程中的位移斜率，说明 3 种工况下甲烷都发生了着火燃烧、释放能量，对活塞做功；但随着CO2掺混比的增大，活塞返回末速度逐渐减小，活塞单个行程所耗时间增大，当α＝0.2 时，活塞末速度约为 26.3 m/s，行程总时长约为1.83ms；当α＝0.4时，活塞末速度约为 25.0 m/s，行程总时长约为1.88ms，这是因为CO2掺混比的增加使甲烷的比例减少，微燃烧室内甲烷燃烧释放的能量减少，并且CO2具有抑制可燃物燃烧的特性，故使活塞整个返回过程中平均速度降低。
图3 不同CO2掺混比下活塞位移与速度曲线
图4为不同CO2掺混比下微燃烧室内温度与压力变化曲线。当CO2掺混比分别为 0、0.2和0.4时，微燃烧室内的温度与压力都有一个先陡升后降低的过程，这是由于自由活塞压缩混合气使微燃烧室内的压力与温度突然升高，到达甲烷的着火点，甲烷着火，混合气体在短时间内发生剧烈的化学反应，混合气剧烈燃烧，微燃烧室内出现了温度与压力陡增的现象，混合气体对活塞做功，内能降低，故压力与温度下降．随着CO2掺混比的增大，微燃烧室内最高温度、最高压力均发生了下降，当CO2掺混比由0增加到0.4时，最高温度先后下降了223.4 K、380.6 K，最高压力先后下降了9.25MPa、19.91MPa，这是由于CO2具有较高的比热容(约为54.3 J/(mol·K))抑制甲烷的基元反应，能够有效降低爆发压力与温度。
图4 不同CO2掺混比下微燃烧室内温度和压力曲线
图5为不同CO2掺混比下微动力装置的p-V，CO2掺混比不断增大，示功图的面积不断减小，微动力装置输出的指示功减少。当α由0.2增加到0.4时，指示功由1.1913 J 减少至 0.9921 J。另外，随CO2掺混比的增大，微燃烧室内混合气的着火时刻推后，活塞单次压缩冲程需要的时间有所增加，整个装置的能量密度降低，所以甲烷掺混CO2并不利于微自由活塞动力装置做功能力的提高。
图5 不同CO2掺混比下微动力装置 p-V
 
结论
由研究可知，甲烷掺混CO2会使甲烷HCCI着火延迟，微燃烧室内的温度与压力降低，CO2具有较大的热容比，能够抑制甲烷的基元反应，从而抑制爆燃的发生，当CO2掺混比达到0.58时，装置内甲烷无法压燃；CO2掺混比的不断增大，燃料燃烧放热受到抑制，微动力装置内的平均有效压力不断降低，活塞的返回速度不断减小，即装置的做功能力减弱，在权衡装置做功能力与抑制装置爆震时，应选择合适的CO2掺混比。
 
文献来源及推荐阅读
[1]赵岩,王谦,吴凡,柏金.CO2掺混比对甲烷HCCI燃烧特性的影响[J].内燃机学报,2019,37(05):385-392.
 
 
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