掺氢汽油转子机试验研究

发布时间：2017-11-09 08:14

  本文关键词：掺氢汽油转子机试验研究

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【摘要】：转子机是一种特殊形式的内燃机,具有体积小、质量轻、功重比高、运行平稳等许多往复机难以比拟的优点。然而转子机的燃烧室狭长扁平且在高转速下运行,这使得转子机在燃烧汽油等液体燃料时容易出现火焰难以快速传播,进而导致高油耗和高排放。提高转子机混合气的火焰传播速度,并降低燃油消耗及有害排放是转子机能够得以应用的关键。与汽油相比,氢气具有点火能量低、扩散速度快、火焰温度高、燃烧速度快和淬熄距离短等特点,这使得纯氢及掺氢均能够有效保证转子机内混合气的稳定点燃及火焰的快速传播,从而提高转子机的热效率并减少有害排放。但纯氢转子机耗氢量大且对密封及润滑系统要求更为苛刻。相比之下,向进气道内喷入少量氢气即可实现掺氢燃烧,从而使掺氢转子机的成本与耗氢量均能够有效降低,进而使得通过进气掺氢改善汽油转子机的燃烧与排放特性更具有实际应用意义。因此,本文通过试验对掺氢汽油转子机的燃烧与排放特性进行了研究。为满足掺氢汽油转子机研究要求,自行设计并搭建了掺氢汽油转子机试验台架。开发了转子机的电子点火模块和氢气、汽油喷射系统。采用一套自主开发的电子控制单元控制转子机的点火和氢气、汽油的喷射脉宽。通过调整氢气和汽油喷射脉宽,可以实现对转子机混合气的空燃比、进气掺氢体积分数等参数的调整,自主编写了掺氢汽油转子机燃烧和放热计算程序。由于缸内残余废气较多且燃烧温度较低,因而汽油转子机在怠速和低速、低负荷时更容易出现燃烧不完全,排放较高等问题。因此,本文通过试验的方法,重点研究了掺氢对汽油转子机在怠速和低速、低负荷条件下燃烧与排放特性的影响规律。首先进行了掺氢汽油转子机怠速燃烧与排放特性的试验研究。怠速条件下,转子机转速稳定在2400r/min附近。通过自主开发的电控单元调整氢气喷嘴的喷射脉宽,使氢气占总进气的体积分数由0逐渐增加至6.8%,在任一进气掺氢体积分数条件下,通过调整汽油喷射脉宽使混合气总体过量空气系数始终保持在1.00附近。试验结果表明,在怠速条件下,掺氢可以降低汽油转子机转速的循环变动系数,减少燃料的能量流量。此外,掺氢有利于缩短火焰发展期及快速燃烧持续期。汽油转子机怠速时缸内最高温度随掺氢体积分数的增加而升高,而排气温度和传热损失均随掺氢体积分数的增加而降低。另外,进气掺氢可以减少汽油转子机怠速时的HC、CO和CO_2排放。由于转子机怠速时燃烧室内温度较低,因而NOx排放很小且随进气掺氢体积分数变化不明显。之后进行了掺氢对汽油转子机部分负荷燃烧与排放特性影响的试验研究。在转速为3000r/min、进气道绝对压力为37.5kPa、点火角为上止点前25°曲轴转角和理论过量空气系数条件下,研究了掺氢对汽油转子机部分负荷燃烧与排放特性的影响规律。试验中氢气占进气的体积分数由0增加至5.2%。试验结果表明,掺氢后汽油转子机缸内压力升高,且峰值缸压对应的曲轴转角有所提前。同时,随着掺氢体积分数的增加,掺氢汽油转子机平均有效压力增大,有效热效率提高,火焰发展期和燃烧持续期缩短,缸内最高温度升高,而排气温度和传热损失降低。快速燃烧持续期的循环变动系数在掺氢之后不断减小。此外,当掺氢体积分数从0增加到5.2%时,HC排放相对降低44.8%,CO和CO_2排放亦均有所减少。NOx排放在掺氢之后略有升高。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK417

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本文编号：1161037