学术活动

 

喷雾与燃烧研究组学术研讨会安排

2019-2020学年第2学期)

Group Seminar of Clean Combustion Center Group

Second Semester of 2019-2020 Academic Year

地点:北二楼四层会议室

时间:每周五 3: 00 pm - 5:00 pm

  

Clean Combustion Center, 2019 Autumn Seminar 
WeekDatePresenters
39.20黄老师,郭实龙,刘洋
49.27李一鸣,孙五川,卫旭涛
510.4国庆节放假
610.11王金华,冯择昊,杨猛,琚荣源
710.18
(2:00-6:00)
燃烧年会报告
S1-高群飞,葛睿涵,郭晓阳
S2-黄文林,赵倩,殷阁媛
S3-赵浩然,林文隽(代张玮杰)
S4-郭阳(代秦梦晓),刘传胜(代詹铖)
S11-夏昊
810.25燃烧学年会(天津)
911.1汤成龙,高振华,秦晓康,姚晓新
1011.8殷阁媛,童尚庆,边志坚,许星长
1111.15胡二江,聂要辉,黄诗晗,闫治宇
1211.22郭实龙,刘洋,徐昭华,郭阳
1311.29张英佳,孙五川,卫旭涛,杨越
1412.6李一鸣,吉龙娟,王良辰,陈俊蝶
1512.13李倩倩,琚荣源,刘靖,郝艺伟
1612.20杨猛,赵倩,林文隽,苏利天
1712.27张猛,高振华,冯择昊,马卓
181.4(周六)殷阁媛,赵浩然,黄文林,许家玮
191.10席奂,聂要辉,夏昊,伍宏环

研究组告示板Notice

高效清洁燃料发动机和燃烧基础研究

 

概述

中国是一个人口众多而除煤炭资源以外其他能源又相对短缺的国家,尤其是随着中国经济的高速发展,这种供需矛盾显得更加突出。中国能源结构中对煤炭的依存度仍然高达60%,由于设备和技术与世界发达国家还存在一定的差距,能耗率和污染物排放也较高,中国也在尝试煤炭直接燃烧外的其他高效清洁转化与利用方式,如煤气化、煤液化、煤的多联产技术等。近年来,中国汽车工业得到快速发展,汽车保有量迅猛增加,石油燃料在能源中的比例不断增加,2009年国内汽车产量已超过1000万辆。由于中国石油资源有限,难以满足日益扩大的石油消耗,石油进口不得不成为可选择的燃料补充方式。对内燃机而言,动力燃料的高效洁净利用已成为节能和污染控制中一个越来越重要的方面,降低动力燃料的能耗率也可对温室气体CO2减排作出贡献。与中国相比,美国、日本、欧盟等发达国家在燃料能源供应和使用方面主要是石油燃料,美国97%的交通燃料来自于石油,其中汽油机消耗了65%,柴油机消耗了20%,涡轮发动机消耗了12%,美国的研究报告预测,动力装置的技术进步仍可使发动机热效率提高25-50%中国93%以上的交通能源来源于石油,交通运输领域消耗了40%以上的石油,95%的汽油、60%的柴油和80%的煤油被各类交通工具所消耗。研究预测,中国2010年汽车消耗石油占全国石油总消耗量为43%,2020年将达到67%。目前,中国交通燃料的年消耗总量仅次于美国,位居世界第二。因此,交通领域动力燃料的高效清洁转利用已成为影响中国经济、社会可持续发展和环境保护的一个重要环节。

面对迫切需要对应的石油燃料高效清洁利用问题,中国发展与改革委员会、科学技术部、国家自然科学基金委员会等都给予重点支持和资金、项目资助来开展研究和技术转化与推广。如科学技术部在国家“863计划中的节能与新能源汽车重大专项,集中了汽车企业、高等院校和科研单位针对石油燃料发动机和石油替代燃料发动机进行技术开发研究,目标是形成一定规模的示范和推广作用。在“973计划中的内燃机低温低污染燃烧理论与清洁替代燃料的基础性研究,主要集中了高等院校针对内燃机高效清洁利用的一些关键基础理论问题开展前瞻性研究工作,形成用于指导内燃机新技术开发的源泉。国家自然科学基金委员会则在更大更广的范围和方向上对内燃机高效低污染利用中基础问题研究给予资助。

 

西安交通大学先进喷雾与燃烧研究团队所开展的研究工作

1. 天然气掺氢发动机研究

在国家“973计划项目天然气发动机低温燃烧与污染物控制的基础研究的资助下,通过采用天然气掺氢技术途径来探索实现发动机的低温低污染燃烧。中国天然气汽车已在包括西安在内的若干城市公交车和出租车上使用,对降低汽车排气污染起到了一定的效果。稀燃(Lean burn)技术是提高发动机燃油经济性和实现低温低污染燃烧的一条有效手段,但天然气发动机稀燃时会遇到燃烧速率慢、燃烧循环变动率大等问题,影响到发动机的稳定运行。将燃烧速率快的氢气掺混到天然气中可望提高燃烧速率和降低燃烧循环变动率。基于上述思路,西安交通大学集中开展了天然气掺氢发动机的研究工作,研究工作从基础燃烧现象的阐明到发动机运行。首先开展了天然气掺氢发动机的燃烧与排放研究,然后针对天然气掺氢后燃烧的一些基础问题,采用定容燃烧装置对预混球形发展火焰进行了基础研究,最后基于基础研究获得的结果指导发动机的优化控制,实现发动机的低温低污染燃烧。基于我们的研究,获得了如下的成果和对一些基本现象的认识。天然气掺氢可提高发动机稀燃能力,降低稀燃条件下发动机的循环变动率,每增加10%体积比例的氢气到天然气中可是发动机稀燃能力提高10%。天然气掺氢时发动机燃烧放热时间缩短,有害排放物一氧化碳(CO)和未燃碳氢化合物(UHC)降低,氢气的加入被认为是促进一氧化碳和未燃碳氢化合物氧化的重要因素。由于掺氢提高了燃烧速率,因此,实现最大扭矩(Torque)的点火时刻需要推迟。虽然在化学计量比时天然气掺氢发动机氮氧化物(NOx)排放会增加,由于稀燃能力的提高,天然气掺氢发动机可稳定运行在稀混合气范围,其低温燃烧条件可有效降低氮氧化物排放。天然气掺氢燃烧方式由于降低了燃料中碳的比例,发动机二氧化碳排放也得到降低。由于氢气单位体积的质量小,掺氢会混合气的体积热值降低,研究发现,适当的掺氢比例使对燃烧的改善效果大于燃料热值降低而带来的效果,因此有助于提高发动机动力性能和降低排放,但掺氢比例超过一定数值后,对燃烧的改善效果会被燃料热值降低和增加的传热损失所抵消,发动机输出动力反而降低。而掺氢比例过小时,对燃烧改善效果不明显。因此,选择适当的掺氢比例才能实现最佳的发动机性能。基于大量的发动机试验,发现选择20%氢气体积掺混比的天然气掺氢发动机达到最佳的动力性能。西安交通大学在均质混合气天然气掺氢发动机和缸内直接喷射分层燃烧发动机上的试验都获得了20%最佳掺氢比例的结果,表明最佳掺氢比例与混合气形成方式无关。
    天然气掺氢对燃烧速率的提高和发动机循环变动的降低提供了允许采用废气再循环(EGR)进一步降低发动机氮氧化物排放的可能性。在化学计量比混合气燃烧时,天然气掺氢发动机增加了氮氧化物排放,采用适当比例的EGR可以降低氮氧化物排放而不会影响发动机的动力性能和热效率。相同循环变动系数下天然气掺氢可允许使用更大的EGR率,大EGR率时天然气掺氢对变动系数的降低效果则更加明显。天然气掺氢结合适当的EGR比例可实现稳定的气体燃料发动机低温燃烧。EGR比例20%时即可获得氮氧化物排放的大幅度降低,而此