吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (6): 1929-1935.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20190548

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不同当量比下单双点火对天然气燃烧特性的影响

宋昌庆1(),陈文淼2,李君1,曲大为1(),崔昊1   

  1. 1. 吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022
    2. 潍柴动力股份有限公司 新科技研究院, 山东 潍坊261000
  • 收稿日期:2019-05-29 出版日期:2019-11-01 发布日期:2019-11-08
  • 通讯作者: 曲大为 E-mail:sochaqing@163.com;eewang404@163.com
  • 作者简介:宋昌庆(1984-),男,博士研究生.研究方向:能源多元化与新型动力总成.E-mail:sochaqing@163.com
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2016YFD0700800)

Effects of single and dual ignition on combustion characteristics of natural gas under different equivalence ratios

Chang-qing SONG1(),Wen-miao CHEN2,Jun LI1,Da-wei QU1(),Hao CUI1   

  1. 1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China
    2. New Science and Technology Research Institute, Weichai Power Co. , Ltd. , Weifang 261000, China
  • Received:2019-05-29 Online:2019-11-01 Published:2019-11-08
  • Contact: Da-wei QU E-mail:sochaqing@163.com;eewang404@163.com

摘要:

针对大缸径天然气发动机存在的燃烧速度慢、排温高、热负荷大、易爆震等问题,设计了一套适用于双火花塞点火的可视化定容燃烧系统。结合快速燃烧技术和自然火焰发光法,通过改变燃空当量比,在定容燃烧弹上进行了一系列天然气燃烧的可视化试验,并借助高速摄像机采集缸内动态燃烧过程图像,利用MATLAB数字图像处理技术,对比分析了单双火花塞点火对火焰传播过程、缸内燃烧压力、燃烧持续期等的影响。研究结果表明:在不同燃空当量比下,与单点火相比,双点火均能够缩短火焰传播距离,加快缸内燃烧速度,缩短火焰发展期和主燃烧期,从而提高燃烧的热效率。尤其对天然气稀薄燃烧时效果非常明显,可以有效抑制失火、爆震现象发生,拓宽稀薄燃烧极限,利于燃烧稳定和降低排放。

关键词: 动力机械工程, 双火花塞, 天然气, 定容燃烧弹, 燃烧特性

Abstract:

Aiming at the problems of slow combustion speed, high exhaust temperature, high heat load and prone to knock for natural gas engine with large cylinder bore, a visual constant volume combustion system suitable for dual-spark plug ignition is designed in this paper. Combining the rapid combustion technology and the natural flame luminescence method, the visualization experiment of natural gas combustion was carried out on a constant volume combustion bomb by changing the fuel-air equivalence ratio. The images of dynamic combustion process in cylinder were collected by high-speed camera,the effects of single and dual-spark plug ignition on flame propagation, combustion pressure in cylinder and combustion duration were studied by using the digital image processing technology of MATLAB. The results show that under different equivalence ratios, compared with single ignition, the dual ignition can shorten the flame propagation distance, accelerate the combustion speed in cylinder, shorten the flame development period and the main combustion period, and thus improve the thermal efficiency of combustion. Especially for the lean combustion of natural gas, the effect is very obvious, which can restrain the occurrence of misfire and knock, broaden the lean combustion limit, and is conducive to combustion stability and emission reduction.

Key words: power machinery and engineering, dual-spark plug, natural gas, fixed volume combustion bomb, combustion characteristic

中图分类号: 

  • TK46

图1

定容燃烧弹结构示意图"

图2

定容燃烧试验系统流程图和试验台架"

图3

点火波形调试"

表1

天然气燃料组分"

成分 Vol/% 成分 Vol/%
CH4 91.87 C5H12 0.30
C2H6 2.53 C6H14 0.18
C3H8 1.24 N2 2.98
C4H10 0.77 O2 0.13

图4

噪声频域图像"

图5

降噪滤波处理"

图6

当量比为0.8 时的火焰传播图像"

图7

当量比为0.8时的单、双点火缸压对比"

表2

当量比为0.8时的峰值压力及相关时刻"

点火方式 峰值压力/MPa 对应时刻/ms 火焰发展期/ms 主燃期/ms
单点火 3.27 126.8 38 74
双点火 3.48 101.2 35 50

图8

当量比为1.0 时的火焰传播图像"

图9

当量比为1.0时的单、双点火缸压对比"

表3

当量比为1.0时的峰值压力及相关时刻"

点火方式 峰值压力/MPa 对应时刻/ms 火焰发展期/ms 主燃期/ms
单点火 3.57 81.1 32.0 36
双点火 3.76 77.2 32.6 30

图10

当量比为1.2时的火焰传播图像"

图11

当量比为1.2时单、双火花塞缸压对比"

表4

当量比为1.2时的峰值压力及相关时刻"

点火方式 峰值压力/MPa 对应时刻/ms 火焰发展期/ms 主燃期/ms
单点火 3.05 111.2 45.0 54.6
双点火 3.25 105.6 38.8 44.2
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