lpg氢气空气均匀混合气层流火焰燃烧特性的研究

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1、成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集1LPG-氢气-空气均匀混合气层流火焰燃烧特性的研究111111王锡斌，陈万生，杨宁，汪大海，黄佐华，蒋德明1(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西，西安，710049)摘要：本文研究了定容燃烧弹中不同过量空气系数（0.6~1.4）、掺氢比例（0~60%）和初始压力(0.081~0.124MPa)下的LPG-氢气-空气混合气的层流燃烧现象，分析了过量空气系数、掺氢比例、初始压力等因素对规范化质量燃烧速率、火焰持续期等燃烧特征参数的影响。研究表明：当过量空气系数在0.8~1.0之间时混合气的规范化质量燃烧速

2、率取较高的值；随初始压力降低，规范化质量燃烧速率升高、燃烧持续期和火焰发展期缩短；随着掺氢比例的增加，压力升高速率增加，混合气的规范化质量燃烧速率增加，燃烧持续期和火焰发展期显著缩短，短的燃烧持续期所对应的过量空气系数范围变宽；稀混合气和浓混合气条件下液化石油气掺氢缩短了火焰发展期。关键字：LPG；氢气；层流火焰；燃烧特性液化石油气（LPG）由于具有高的辛烷值和低本试验系统如图1所示，包括4个部分：混合的污染物排放，被认为是最有前途的汽油机的理想气配制系统，压力采集系统，纹影系统和高速摄像[1]代用燃料之一；但是，LPG在发动机上应用也存在系统，点火系统和控制电路。采用电感放电点火方燃烧

3、速率低、燃烧循环变动率大等缺点，对燃油经式点燃混合气，同时同步采集燃烧弹中的压力，并[2]济性影响很大。解决气体燃料燃烧速率慢的一个方利用高速摄像装置记录火焰发展的纹影照片。高速法是向其中添加燃烧速率快的燃气。氢气的燃烧速摄像机为美国REDLAKE公司生产的HG-100K，拍率很快，将氢气掺混到气体燃料中制成混合燃料是摄速度在1000－10000帧/秒间可调，本试验中设定提高燃烧速率的有效途径。天然气掺氢均匀混合气为5000帧/秒。在相同的初始压力和当量比的条件下，获得了比纯试验用定容燃烧弹内腔是底面直径为130mm、[3]天然气更快的燃烧速率。为了提高LPG的燃烧效长为130mm的圆柱

4、体空腔，其容积为1.725升。在率，也有必要研究LPG掺氢均匀混合气的层流燃烧试验中，将定容弹置于平台基座上，在其相对的两特性。本文就针对LPG-氢气均匀混合气的层流燃烧个圆柱底面安装石英玻璃，为火焰的纹影成像提供过程，分析过量空气系数、掺氢比例、初始压力等光学通道。在容弹的上表面安装气阀和压力传感器；因素对层流燃烧特性的影响。在其中心线上布置点火电极以实现在空腔中心点1试验方法与装置火。图1试验系统布置图作者简介：王锡斌(1968-)，男，博士，副教授；研究方向:内燃机燃烧与排放控制。E-mail:xbwang@mail.xjtu.edu.cn成都，2007年8月王锡斌等：LPG-氢气

5、-空气均匀混合气层流火焰燃烧特性的研究22LPG-氢气-空气均匀混合气的配制例40%、不同过量空气系数下的压力曲线和规范化质量燃烧速率曲线。可见，过量空气系数在0.8时，试验所用氢气纯度为99.995％，试验所用LPG压力升高最快，达到的最大压力比其他过量空气系主要成分见表1。数对应的最大压力大，并且达到峰值压力的时间也最短。浓混合气和稀混合气的压力升高速率、规范[4]表1试验用LPG成分化质量燃烧速率都会减慢。此外，从图3可以看出，虽然过量空气系数在0.8附近规范化质量燃烧速率成分体积分数（%）和燃烧峰值压力达到最大值，但是混合气继续加浓C2H60.02到过量空气系数0.6时规范化质量

6、燃烧速率迅速下C3H60.92降，是图中几个试验工况点中最低的；在图2中，C3H827.65过量空气系数0.6时的峰值压力比稀燃情况下稍高，C4H81.72这主要是因为：1）定容弹中峰值压力一方面取决于放热速率，另外还受总放热量的影响；2）根据化学i-C4H1025.68反应式，定容弹内混合气的放热量取决于不足的反n-C4H1042.6应物，即浓混合气时取决于空气，稀混合气是取决C5H101.41于燃料。3）定容弹体积一定，燃料与空气按照化学计量比燃烧时，空气与燃料的体积比很大。燃料为设混和燃料的分子式为CαHβOγ，由表1中的LPG氢气时，空燃体积比约为2.4：1；对LPG中的各成成分

7、、掺氢比例，可得α，β，γ。则LPG掺氢的化学分则更大，丙烷约为24：1，丁烷约为31.2：1。因计量燃烧反应式为此，在试验的工况范围内，随过量空气系数变化，βγ空气所占体积变化不大，主要是燃料体积的变化。CHO++(α−)(O+3.773N)=αβγ22这样，当未燃气是浓混合气时，定容弹内空气体积42与按化学计量比燃烧时相比基本不变；而未燃气是ββγααCO++HO3.773(+−)N稀混合气时，燃料则基本上与过量空气系数成比例2