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光学可视火花点火发动机甲烷-氢燃料燃烧初期与后期火焰前锋传播特性研究

DOI：10.1016/j.ijhydene.2018.10.167 期刊：International Journal of Hydrogen Energy 出版年份：2018 更新时间：2025-09-09 09:28:46
摘要： 近年来，混合动力与纯电动汽车因能替代传统燃油车成为可持续交通方案而备受关注。但该替代动力的全球推广可能导致分布式电力系统出现大规模不良峰值负荷。在此背景下，天然气火花点火发动机成为满足部分能源需求的有前景技术。通过添加氢气作为辅助燃料，可克服天然气层流火焰传播速度低和稀薄燃烧性能差的主要局限。本文对比了甲烷与不同CH4/H2混合气（在当量比及稀薄燃烧条件下添加5%、10%、20%体积分数的氢气），在光学可视单缸进气道喷射火花点火发动机中开展测量，采用双视角二维数字成像光学技术，结合宏观/微观后处理工具分析火焰前锋传播过程，并首创性地测量了甲烷及其氢混合气在活塞顶岸缝隙区的火焰渗透情况。研究将缝隙区火焰渗透与未燃碳氢排放关联分析，发现二者呈反向变化趋势。所有测量均在固定转速、负荷和点火提前角的稳态工况下进行，结果表明氢气添加能显著促进燃烧，减少火焰定向优先传播并增加火焰前锋褶皱。贫燃工况测试显示甲烷-氢混合气具有降低氮氧化物排放的潜力。
作者： A. Pe~naranda，S.D. Martinez Boggio，P.T. Lacava，S. Merola，A. Irimescu
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究氢气添加对甲烷为燃料的火花点火发动机燃烧过程的影响，重点关注化学计量比和稀薄燃烧条件下的火焰前锋传播及排放情况。

研究成果

向甲烷中添加氢气可提高燃烧速度并减少未燃碳氢化合物排放。同时能减弱火焰的优先传播方向并增加火焰前锋褶皱。含氢气的稀薄燃烧工况在降低氮氧化物排放方面展现出潜力。该研究为点燃式发动机中甲烷-氢气混合气的燃烧过程提供了有价值的见解。

研究不足

该研究仅限于低比例的氢气掺混（体积比不超过20%），未探索更高氢浓度的情况。光学发动机的设计折衷方案（如简化的活塞碗几何形状和定制活塞环）可能会对燃烧过程产生影响，与商用发动机相比存在差异。

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