掺氢天然气的管道输运特性仿真与分析

掺氢天然气(HCNG)输送是利用现有天然气管线实现氢气长距离运输的一种可行方案,天然气中因氢气的加入使得输运气体的物性发生明显变化,从而对管道的输运特性造成一定影响。本文对掺氢混合气的流动及换热过程进行了分析建模,对天然气掺氢管道的运行特性进行了计算分析,并在计算中使用物性快速计算公式代替BWRS方程进行物性求解以提高计算效率。根据计算结果,氢气与天然气混合气体的黏度、密度、体积热值和焦耳-汤姆逊效应系数随着掺氢比例的增加而下降,比热容和压缩因子随掺氢比例的增加而增加;在管道运行中,管输体积流量随掺氢比例的增加而上升,管道压降和管道管存随之下降,管道的能量流量先下降后在大掺氢比后略有回升;管道能量流量恒定时,管道出口压力先降低后略有升高;氢气的加入会削弱长输管线压降导致的温度降低;地面温度对于管输流量和能量流量影响较小。

基于SMX静态混合器的天然气掺氢流动影响研究

为了获取均匀的天然气掺氢混合气,确保掺氢燃气管道稳定、安全输送,采用数值模拟与试验相结合的方法研究了天然气与氢气在SMX静态混合器中的掺混特性及影响因素,详细分析了掺混单元数量、运行工况和掺氢体积比等因素对掺混性能的影响。研究结果表明,氢气与天然气的混合主要依赖于混合单元不断改变流动状态,实现左旋和右旋相互交替,达到均匀混合。流动损失主要取决于静态混合器内流动速度,综合考虑SMX静态混合器的压力损失和混合均匀度性能指标,采用4个掺混单元、进口气流速度10 m/s是一个优选方案。此外,增大掺氢体积比和加长流经混合器出口下游管道长度均有利于提升氢气和天然气掺混均匀度,要结合燃气管道的具体情况来确定掺氢体积比的合理范围。

高压氢气加注过程中温度特征仿真分析

高压氢气加注站可靠高效的运行是氢燃料动力大规模应用的技术前提,加注过程中对氢气进行温度控制是罐内温度安全性的重要保证。对氢燃料电池汽车的高压氢气加注过程建立完整的热力学模型,计算加注过程各个系统节点瞬态的热力学参数、氢气质量流量以及换热器冷负荷,分析影响预冷温度的因素,讨论喷嘴直径对车载储氢罐温升和换热器冷负荷的影响,并根据计算结果提出系统运行的优化策略。结果表明预冷温度可根据加注条件相应调整,对于大多数工况点,当环境温度每降低大约5℃、起充压力每增高大约4 MPa或者加注时间每延长1min,预冷温度可提高大约5℃;加注枪的喷嘴直径对加注时间和车载储氢罐氢气终温的影响较小,但对换热器冷负荷影响较大,当喷嘴直径由8mm减小为5mm时,罐内终温仅升高6%,加注时间仅延长5s,而换热器峰值冷负荷和总冷量分别降低了25%、7.3%。

增压稀燃天然气发动机排放特性

为了研究增压稀燃天然气发动机的排放特性,对发动机进行了空燃比和点火提前角调整试验、十三工况排放等试验,并在增加氧化型催化转化器后进行了相关试验,对试验结果进行研究分析,获得了天然气发动机的排放规律。结果表明：NMHC排放随空燃比增大先减少后增加,NOx排放随空燃比增大先增加后减少,在空燃比19～21左右达到最大值。NMHC比排放随转速升高略有降低,NOx排放随转速升高先减小后增加,发动机最低NOx排放点所对应的发动机转速为1600～1800 r/min。定MAP下,NMHC排放随点火提前角增大先降低后增加,NOx排放随点火提前角增大而增大。加I型氧化催化器后发动机NOx、CH4、CO、NMHC排放值分别减少了15%、97%、78%6、0%。试验结果表明,增压稀燃和氧化型催化转化器相结合是天然气发动机一种有效方案。

氢内燃机缸内燃烧特性

介绍了氢内燃机试验分析系统,对比和分析了不同工况下的氢内燃机缸内燃烧特性,总结了不同运行参数下氢内燃机的燃烧特点。试验结果表明:由于燃烧速度较高,氢内燃机可以在上止点或上止点后点火,此时指示效率下降并不明显。在中低转速时,氢内燃机可以适应不同转速,能够及时燃烧。油门开度对氢内燃机的影响很大,小油门开度时残余废气多,氢气的浓度降低,使氢气燃烧速度受到影响,指示热效率降低,循环变动增加。

稀燃天然气掺氢发动机的热效率与排放特性

为了分析在天然气中掺入不同体积比的氢气对发动机经济性和排放性的影响,在一台6缸火花点火天然气发动机上开展了体积掺氢比在不同工况下对热效率和排放特性影响的试验研究。结果显示掺氢可以拓宽发动机的稀燃极限,提高燃烧速度,使得最佳转矩点火提前角(MBT)相对推迟;在点火提前角不变的情况下掺氢对热效率没有明显优势,而且会使NOx排放升高。而在MBT时,掺氢可以一定程度上提高发动机的指示热效率,降低未燃CH4和CO的排放,改善NOx与未燃碳氢(主要为CH4)的trade-off关系。掺氢的优势还体现在可以让发动机高效的工作在更稀的情况下,从而有利于降低NOx的排放和传热损失。

不同点火提前角时HCNG发动机的燃烧与排放特性

在一台火花点火天然气发动机上开展了在不同点火提前角下燃用不同体积掺氢比（0%～50％）的天然气掺氢燃料（HCNG）的试验研究，进行热效率、燃烧放热率、循环变动及排放特性的分析。结果表明：与原天然气发动机相比，HCNG发动机的最大扭矩点火提前角（MBT）减小，MBT时指示热效率变化不大；点火提前角增大时，火焰发展期增长，最大压力变动率减小，快速燃烧期和平均指示压力变动率先减小后增大；在相同点火提前角时，以上4个参数均随掺氢比的增加而减小。NOx、CO排放浓度随掺氢比增加而增大，CH4排放则相反。

稀燃天然气掺氢发动机循环变动的试验研究

对火花点火天然气发动机而言,稀燃是提高发动机燃油经济性和降低发动机排放的一种有效途径,但稀燃导致的循环变动是拓宽稀燃极限的一个主要限制因素,在天然气中掺混氢气作为燃料,可解决稀燃工况下循环变动过大的问题。为了研究掺氢对发动机循环变动影响,选取纯天然气和掺氢体积比为20%的天然气掺氢燃料,在6缸进气道喷射增压稀燃天然气发动机上进行不同点火提前角和空燃比工况下的试验研究。通过对缸内压力特性参数、燃烧特性参数以及排放数据的分析,结果表明:掺氢可有效降低发动机最高压力循环变动和平均指示压力循环变动,在稀燃情况下效果更为明显;掺氢可降低火焰发展期和燃烧持续期及其循环变动;在稀燃工况下,掺氢对控制发动机NOx及未燃HC排放有利。

不同掺氢比的HCNG燃料对天然气发动机怠速性能影响研究

为了研究在天然气中掺入不同体积比氢气对发动机怠速性能的影响,针对一台6缸天然气发动机开展了不同体积掺氢比的氢气/天然气混合燃料(HCNG)的怠速性能试验研究。试验证实掺氢后热效率提高,要达到相同的怠速转速可减少怠速旁通阀开度;在怠速情况下,掺氢使CH4、CO、NMHC排放下降,NOx排放上升,可通过点火提前角推迟来有效降低怠速NOx排放;在天然气中掺入适量氢气后有利于改善发动机怠速燃烧,从而增加怠速稳定性。在怠速条件下,掺氢后CO、CH4排放随转速升高先减小后增加;怠速转速升高,怠速稳定性变好。在天然气中掺入适量氢气后,发动机热效率提高,经济性改善。

点燃式HCNG发动机一维数值模拟研究

利用AVL BOOST软件建立天然气掺氢(HCNG)发动机的整机工作过程一维模拟模型,通过与试验结果对比,证明了模型的适用性和准确性。并对HCNG发动机进行了一系列的变参数分析研究,主要变化参数包括体积掺氢比、负荷、压缩比及配气相位。模拟计算结果表明:提高掺氢比和负荷可提高缸内燃烧温度,使传热损失和NOx排放增加;提高压缩比有利发动机的动力性和经济性;进气迟闭角和排气提前角相位对发动机的动力性和经济性有较大影响。

天然气发动机掺氢20%时瞬态排放性能研究

对天然气发动机掺氢20%(体积比)的瞬态性能进行了研究。主要研究包括不同催化器ETC循环排放的对比、不同加速加浓因子的排放对比以及20%天然气掺氢发动机(HCNG)与纯天然气发动机的排放对比。试验结果表明:三种催化器都能使天然气掺氢发动机排放达到环境友好型汽车标准。随着加速加浓因子的增大,发动机扭矩跟随性越好,但会造成各种排放同时上升,特别是NOx上升幅度很大。三种氧化型催化转化器转化效率大小排序为:ECOCATⅡ型>国产催化器>ECOCATⅠ型。对于这三种催化器来说,随着催化效率的提高,排气阻力加大,发动机动力性下降,燃料消耗率上升。掺入20%氢气后,在不带催化器的情况下,NOx、CO、NMHC、CH4排放和燃料消耗率相对于原天然气发动机分别下降51%、36%6、0%4、7%和7%。

天然气火花点火发动机循环变动的分析方法

通过单点电喷天然气发动机上的实验研究,分析了利用实测缸内压力和放热率曲线来分析研究点火发动机循环变动的各种方法,并阐述了各种方法的适用性以及不同表征循环变动的参数之间的关系。分析的结果指出:正常燃烧循环峰值压力(pmax)与其出现转角(φpmax)有良好得对应关系,混合气较浓时工况时pmax或φpmax的变动率比稀混合气时小;而平均指示压力(IMEP)与pmax的关系却不明显,因此当以发动机的动力性为主要研究对象时,不宜采用pmax作为循环变动的分析参数。为了综合考虑整个循环压力变动的特征,提出了对每个曲轴转角处压力变动都进行分析的方法,另外为了分析燃烧等容度变动,还提出了放热率型心位置变动率的概念,并指出放热率型心靠近上止点有利于提高IMEP。

火花点火天然气发动机起动阶段HC排放特性研究

为降低天然气发动机起动阶段的HC排放,在一台6缸火花点火天然气发动机上进行了起动试验研究。控制起动阶段的喷射脉宽和点火提前角,采集起动后1min内的转速和排放数据。试验结果表明:在一定范围内,HC排放随喷射脉宽和点火提前角的增加而增加。为保证顺利起动并有较低的HC排放,起动初始阶段应采用较大的喷射脉宽和较大的点火提前角,而转速稳定后采用逐渐减小的喷射脉宽和点火提前角。

增压稀燃天然气掺氢发动机排放特性

为了研究20％掺氢比的增压稀燃天然气掺氢（HCNG）发动机的排放特性，通过对发动机进行了空燃比和点火提前角调整试验、ETC循环测试试验和加装氧化型催化器试验，获得了20％HCNG发动机的排放规律。CH4排放随着空燃比的增大先减少后增加；CO排放在高于理论空燃比后骤减；NOx排放随着空燃比的增大先增加后减少，在空燃比19～21左右达到最大值，1600～1800r／min时最低。CO、NOx随着点火提前角的增大而增加；CH4随着点火提前角的增大略有增加，并且点火提前角越大，对CH4排放的影响越小。加装催化器后，CO、CH4的转化效率均〉90％。试验结果表明：增压稀燃和氧化型催化器相结合是天然气掺氢发动机节能减排的有效方案。

容弹实验装置的混合气配制及点火系统

定容燃烧弹主要模拟活塞在上止点附近内燃机的燃烧，其特点是能较方便地改变热力参数、湍流参数以及点火参数。设计了一种可变湍流参数定容燃烧弹实验装置，以用于预混燃烧的研究。详细介绍了该实验装置的混合气配制系统及点火系统的设计原理、组成及其特点。

火花点火发动机准维湍流卷吸燃烧模型的适用性研究（1）

本文在分析火花点火发动机湍流涡结构及缸内湍流特性参数的基础上，提出了适用于火花点火发动机燃烧计算的准维湍流卷吸模型，通过建立相应的子模型及求解方程，实现了燃烧过程的计算；对压缩比为１０的紧凑型燃烧室，在改变发动机转速、负荷、空燃比以及点火正时的情况下，计算得到的压力示功图、质量燃烧率等与实测值一致，从而证实了该模型的合理性。

一种可变湍流参数的定容燃烧弹试验装置

设计了一种可变湍流参数定容燃烧弹试验装置 ,用于预混湍流燃烧的基础研究。该试验装置利用带有通孔的板在容弹内的快速平动来产生可控的湍流 ,它能方便地改变容弹内充量的湍流参数 (包括湍流强度和湍流标尺 )、热力参数 (包括燃空比、残余废气系数和压力 )以及点火参数 (火花塞位置、电极间隙与点火能量 )。介绍了该试验装置的定容燃烧弹、湍流发生系统、混合气配制系统、点火系统、燃烧压力测量系统、纹影与高速摄影系统以及时序控制系统等子系统的设计原理、结构及其特点。

一种定容燃烧弹内的湍流发生系统

设计了一种定容燃烧弹内的湍流发生系统。它主要包括湍流发生系统、定容燃烧弹、孔板运动规律测量 ,着重介绍了其设计原理和结构特点。

天然气发动机专用催化转化器的研究与发展

介绍了国外天然气发动机专用催化转化器的研究与发展状况 ,着重介绍了天然气发动机专用催化转化器的研究难点与重点 ,并结合我国实情 ,提出了相应的建议。

预混湍流燃烧基础研究的现状和动向

综述了国际上开展预混湍流燃烧基础研究的现状和动向，介绍了几种不同湍流产生方式的定容燃烧弹装置，对进行这方面研究的主要实验方法和手段进行了概括、分析。