氬氣氛圍下氫氧射流混合及燃燒基礎問題研究

《氬氣氛圍下氫氧射流混合及燃燒基礎問題研究》是依託同濟大學，由李理光擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氬氣氛圍下氫氧射流混合及燃燒基礎問題研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李理光
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

在活塞式發動機中採用封閉式循環，將氫氣直噴至10％氧含量的高壓氬氣氛圍中燃燒，利用氬氣作為工作介質，可實現最高的熱效率和零排放。廢氣中的氬氣將重新循環至發動機的進氣，循環中產生的水由冷凝器除去。氫可能來源於化石燃料，也可使用可再生電力如風電或從天然氣發電的剩餘電力進行電解水制氫（效率＞75％）。H2作為可再生能源的存儲源，並能在任何時間利用以氬氣作為工質的燃燒循環高效地轉換回電能。基於對大缸徑直噴氫氣發動機的研究，本項目旨在提升對氫氣（低密度，高擴散性）噴入熱的氬氛圍的預測能力，從而最佳化氬氣發動機的直噴策略。基於高溫高背壓定容燃燒彈和活化熱氛圍燃燒器，結合高速攝影，研究氫氣噴射策略、氫氬噴入氬氧氛圍及氧氣噴入氬氫氛圍的混合及燃燒特性，揭示反應及非反應狀態下氫氧氬協同噴射射流特徵及影響因素，獲得關於氬氣氛圍下氫氣湍流射流的新理論，為未來氬氣發動機研發與可持續發展提供最佳化的燃料噴射策略。

結題摘要

氬氣動力循環是實現內燃機的高效、低排放運行的最有潛力的技術之一，其本質是一種熱力循環，以Ar為循環工質，利用Ar的高比熱比實現高效運行，通過Ar對N2的替代消除NOx排放，初步的台架實驗表明氬氧氛圍下天然氣發動機指示效率可達47.8%。圍繞氬氣動力循環發動機基礎問題，項目開展了噴射/協同噴射特性與燃燒特性研究。設計加工了高溫高背壓定容燃燒彈，最高耐壓可達30MPa。研究了小分子量氣體在高密度環境下的噴射：噴入Ar環境時，O2射流貫穿距相比H2射流貫穿距僅略微低約0~6%，前者卷吸率是後者的2.4~3.0倍；H2射流在空氣中的貫穿距比在Ar/O2混合氣中的貫穿距增大11%，而錐角相對減小3%；設計了協同噴射方案並開展了試驗研究，發現內H2外O2的噴射特性與內O2外H2射流接近；與單一氣體射流相比，協同射流的貫穿距離增大，但相應的Ar卷吸量降低。研究表明射流氣體分子量大小，以及環境氣體密度大小對射流的影響可以忽略，為氫氣缸內直接噴射的套用提供了支撐。基於定容燃燒彈研究了H2層流預混火焰的點火與燃燒特性。與空氣環境相比，O2/Ar混合氣中H2最小點火能量和火焰發展期顯著減小；且隨著Ar比例的提高，最小點火能量顯著提高，火焰發展期延長；隨著混合氣的過量氧氣係數的提高，火焰發展期延長；隨著混合氣中Ar比例從70%提升至79%，層流火焰速度降低72.6%；可通過控制過量氧氣係數實現氬氣循環發動機燃燒最佳化和爆震的控制。基於活化熱氛圍燃燒器，研究了H2射流在熱Ar/O2氛圍中的燃燒特性。相比於N2/O2氛圍，Ar/O2氛圍促進了H2射流的燃燒，火焰起升高度降低，火焰長度延長，火焰更明亮，且出現部分黃色火焰；隨著Ar比例的提高，火焰起升高度升高，且此現象在低溫區域更加顯著。內H2外O2射流火焰的高溫燃燒區位於火焰中心，而外H2內O2射流火焰在H2/O2裹挾接觸面外側形成高溫燃燒區，外H2內O2的火焰起升高度更低。內H2外O2射流火焰長度整體上小於外H2內O2，前者在過量氧氣係數為1時取得最大值，而後者在過量氧氣係數為2時達到峰值。研究結果豐富了基礎研究數據，為氬氣循環發動機樣機開發提供技術和策略支撐。