氢-空气-废气掺混燃烧与排放特性研究

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1、氢-空气-废气掺混燃烧与排放特性研究姚海春2015年6月中图分类号：TK91UDC分类号：621氢-空气-废气掺混燃烧与排放特性研究作者姓名姚海春学院名称机械与车辆学院指导教师孙柏刚教授答辩委员会主席骆清国教授申请学位工程硕士学科专业车辆工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月Hydrogen-Air-ExhaustgasMixtureCombustionandEmissionCharacteristicsStudyCandidateName：Yao,HaichunSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacu

2、ltyMentor:Prof.Sun,BaigangChair,ThesisCommittee：Prof.Luo,QingguoDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：VehicleEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：06，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育

3、机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要由于氢燃料燃烧速度比汽油快，会使火焰面的温度远高于汽油燃烧的温度，因而氢燃料用于内燃机时会产生大量的NOx排放，因此控制NOx排放成为目前研究氢内燃机的一个主要方向。本文通过试验及仿真方法研究了氢气-空气预混层流燃烧特性。首先搭建了预混层流燃烧试验测试平台，根据气体分压定律得到了氢气-空气-稀释气混合气的分压计算公式。利用MATLAB软件编写了一套适用于球形扩散火焰半径准确获取的程序。针对本文的研究对象氢气-空气

4、预混层流燃烧。利用CHEMKIN软件的PREMIX模块进行了氢气-空气预混层流燃烧的化学反应动力学机理研究，其中Conaire整合机理有29个基元反应。火焰在发展初期受到点火能量影响，在发展末期受到温度和压力变化影响，这两个阶段内的火焰传播并不满足马克斯坦理论。因此，选取火焰半径在6~25mm范围内的数据进行拉伸火焰传播速度与拉伸率的线性拟合，从而得到马克斯坦长度及无拉伸层流火焰传播速度。马克斯坦长度随当量比的增加而增加，即随着当量比的增加火焰稳定性增加。随着当量比的增加，无拉伸层流火焰传播速度与燃烧速度均呈现先增加后减小，在当量比为1.8时达到峰值。峰值分别为：24.29m/s和

5、5.55m/s。通过计算得到火焰质量燃烧率、火焰厚度随当量比的变化关系，质量燃烧率随当量比的变化规律与氢气-空气预混层流燃烧速度一致，而火焰厚度随当量比的变化规律与氢气-空气预混层流燃烧速度则刚好相反。最后研究了不同初始温度、不同掺氮比、不同废气掺混条件对氢气-空气预混层流燃烧特性，并利用CHEMKIN分析了各工况下燃烧主要产物及活性自由基的生成规律，最后对NO的生成进行了分析。随着初始温度的增加，氢气-空气预混燃烧无拉伸层流火焰传播速度增加，层流燃烧速度增加；随着初始温度的增加，反应过程中火焰温度增加，但是增加幅度不是很明显；反应区中H/H+OH/H+OH+O最大摩尔分数与层流火

6、焰燃烧速度有极大的相关性。NO随着初始温度的增加而增加，从74ppm增加到240ppm。随着混合气掺氮比的增加，无拉伸层流火焰传播速度与燃烧速度均呈现下降趋势；随着掺氮比的增加，I北京理工大学硕士学位论文拉伸火焰传播速度与拉伸率拟合直线的斜率逐渐趋近于零，说明火焰变得不稳定，缘于掺氮比的增加实际上减小了混合气中氢气的含量。随着掺氮比的增加，已燃气体温度急剧降低，导致NO生成量下降明显，从74ppm将至0ppm附近。废气掺混对氢气-空气预混层流燃烧特性影响的规律与掺氮方式类似。但是，相同掺混量下，废气掺混模式对层流燃烧速度及火焰温度的影响更大，降低NO排放的幅度更大。关键词：氢内燃机

7、燃烧废气再循环氮氧化物II北京理工大学硕士学位论文ABSTRACTHydrogencombustionfasterthangasolinequickly,makinghigherflametemperaturethanthatofthegasolineengine,producinglargeamountsofNOxemissions,controllingNOxemissionhasbecomethemaindirectioninthestudyofhydrogen