火花点火式沼气燃烧的试验研究(2) - 内燃机工程杂志社投稿_期刊论文发表|版面费|电话|编辑部- 内燃机工程

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火花点火式沼气燃烧的试验研究(2)

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图3 示功图

3.2 缸内压力分布

图4 是在不同曲轴转角时刻，缸内气流的压力情况。可以看出，沼气与空气混合后，由进气道进入气缸，在压缩过程初期，气缸顶部的压力较小，混合气浓度较小。随着压缩过程的进一步进行，在320oCA 位置附近，首先在燃烧室的侧隙位置产生了较高的压力区，混合气在此位置有较大的浓度。在上止点附近，由于缸内气流运动强度进一步增大，混合气在缸内浓度逐渐增大，但在燃烧室的侧面坑部位置出现了一个低压区，推测此区域的涡流运动较强，扰动剧烈，从而形成了负压区。上止点处的压力浓度最大区域出现在燃烧室中心位置，由于火花塞位于此位置，对燃烧有利。随着活塞下移，进入膨胀做功阶段，缸内混合气逐渐呈现与压缩过程相反的一个运动过程。

图4 不同时刻缸内压力场

3.3 缸内速度场

图5 是发动机在不同时刻缸内混合气的速度场情况。从图中可以看出，在320oCA 之前，随着活塞向上止点运动，缸内混合气产生由下至上的运动，缸内绝大部分空间混合气运动速度较低，几乎没有涡流运动的产生，这是因为盆形燃烧室的独特设计，使缸内空气压缩涡流较小。随着压缩过程的继续进行，在320oCA 到340oCA 期间，缸内逐渐形成强度较小的涡流运动，主要发生在燃烧室的坑部。此时缸内气流运动主要表现为由上至下的运动，燃烧室坑部速度较大，并逐渐向侧隙位置转移。从340oCA开始，在燃烧室的坑部位置逐渐形成较明显的逆时针方向的涡流运动，这也是该涡流区压力浓度较低的原因。涡流区中心位置的速度不高，但在燃烧室的顶部出现了速度较高的空气运动区，且燃烧室坑部的高速运动区逐渐向侧面转移，这也是燃烧室内涡流形成的一个主要原因。随着压缩过程的进行，涡流强度越来越大，在上止点附近达到峰值。之后随着活塞下行，涡流运动由逆时针变为顺时针，且运动强度逐渐削弱。

图5 不同时刻缸内速度场

可以看出，缸内气流在绝大部分时间和空间上较一致，由于盆形燃烧室底部平缓的凹坑设计，燃烧室内涡流运动的强度也较平缓，只是在350oCA 附近较强。同时，沼气的燃烧速度较慢，浅盆形燃烧室在上止点附近形成的涡流强度较大，能够提高火焰传播速度，使燃烧尽量在上止点附近完成。图6 是缸内湍动能的发展情况图，湍动能的强度反应了涡

图6 缸内湍动能

流强度的大小，对比图5 和图6 可以看出，湍动能在活塞运动的整个过程都有，只是在上止点附近出现较大的峰值，这也促进了缸内燃烧过程的进行。

4 沼气层流燃烧特性试验研究

从上面的计算可看出沼气在盆形燃烧室内的燃烧过程，但对沼气的具体燃烧传播速度有待进一步研究，因此，以甲烷与二氧化碳的混合气为研究对象，在定容燃烧弹中进行了沼气燃烧特性的试验研究。

图7 试验装置示意图

4.1 试验方法

试验设备主要由定容燃烧弹、光路系统、配气系统、点火系统、数采系统和高速摄像系统6 部分组成，如图7 所示。

其中定容燃烧弹是由OCr18Ni9 型不锈钢焊接而成的内径为400 mm 的球体，容积为33.5 L。在相对应的两侧安装有直径100 mm 的精加工的光学石英玻璃为在进行纹影法时提供必要的光学通道，燃烧弹的外围布满加热电阻丝来达到能使弹内气体均匀受热的目的，容弹内布置中心电极由点火系统来控制点燃可燃气。光路系统布置成Z 形，两个主反射镜直径为100 mm，焦距为100 cm，狭缝的调节范围为0～3 mm，刀口调节范围为0～10 mm。为了提高配气精度，本试验的配气系统分两路进气，一路进配比的沼气，一路进空气，这样就消除了进气管容积对配气的影响。高速摄像机为TRI 公司的Phantom v7.3，拍摄速度最高为 fps。

4.2 结果分析

在试验中分别测得了纯CH4，模拟沼气(70%CH4 和30%CO2 混合气)的燃烧速度，结果如图8所示。

图8 拉伸火焰燃烧速度图

从图8 可看出，两种气体的拉伸火焰燃烧速度变化情况较一致。从混合气被点燃到火焰半径为4 mm 的火焰传播初期，速度由大变小，这是因为点燃瞬间的火焰速度很大，但此时的火焰不稳定，受到周围运动气体的扰动而速度降低。随着火焰半径增加，稳定的火焰中心已经形成，燃烧速度在火焰半径为5～10 mm 之间上升迅速并在10 mm 之后随着火焰半径增加燃烧速度趋于稳定值。但是两种气体燃烧过程也有差异:纯CH4 的燃烧速度在火焰半径大于5 mm 之后的传播中都高于模拟沼气，纯CH4 的拉伸火焰燃烧速度约为0.3～0.35 m·s-1，模拟沼气的约为0.2～0.25 m·s-1。这是因为在模拟沼气中的CO2 对燃烧具有强烈的抑制作用，造成沼气的燃烧速度变慢。

文章来源：《内燃机工程》网址: http://www.nrjgczz.cn/qikandaodu/2021/0125/466.html