摘要
煤层气作为一种储存在煤层中的非常规天然气资源，在我国的含煤盆地中广泛分布，共计39个盆地富集着丰富的煤层气储量。煤层气在煤矿开采过程中常作为伴生矿产资源一同开采，以确保资源的高效利用。在开采出的煤层气中，浓度较高的通常被应用于多个工业作业，而浓度介于 3%到 30%的低浓度煤层气则在就地抽取后用于驱动大缸径燃气发动机发电。然而，由于低浓度煤层气的浓度不稳定，且作为甲烷基燃料本身点燃困难、火焰传播缓慢等特性，导致在发动机燃烧过程中容易出现循环变动大、失火和爆震等不正常燃烧现象。 为破局低浓度煤层气难以直接燃用的难题，本研究通过在缸内掺混氢气作为助燃剂，以实现强化点火、稳定燃烧和加快燃烧速度的技术方案。氢气具有点火能量低、燃烧速度快的特性，掺入燃气中可以显著改善燃烧效能。针对缸内直喷氢气，通过二次喷射技术可以更灵活地控制燃气分布，同时确保点火效果，从而拓展发动机的稀燃边界。本研究基于二次喷氢策略，利用首次喷射形成天然气/氢气的均质混合气，提高稀薄燃气的稳燃特性；其次通过二次喷射，形成浓度分层混合气，进一步加强点火，促进缸内燃烧。本文基于一维与三维仿真平台建立发动机单缸燃烧模型，针对以上方案进行模拟研究。具体内容和结论如下： （1）为明晰缸内燃气分布的变化规律，定义喷氢时刻与点火时刻的曲轴间隔为相位差 Φ，研究不同喷氢时刻、掺氢量、过量空气系数、二次喷氢比例等参数对缸内氢气分布和当量比分布的影响。结果表明：缸内氢气分布可分为三类，分别对应不同 Φ 值。Φgt;70℃A，缸内氢气混合情况良好，形成 HCNG；70℃Agt;Φgt;20℃A，缸内氢气分布呈现逆向浓度分层状态；Φlt;20℃A，缸内形成氢气射流浓度分层状态。喷氢量的增加能够凸显氢气分布状态的特征。较大的过量空气系数会弱化不同形态氢气分布特征。二次喷氢策略中，首次喷射选择180℃A BTDC形成HCNG，第二次喷射与点火时刻之间不同Φ值依旧形成了多样化的氢气分布，两次喷射比例的不同则会影响逆向浓度分层与射流浓度分层的浓度梯度。 （2）探究不同 Φ 值对应的火焰结构以及喷氢策略对发动机燃烧及排放性能的影响。结果表明：当Φgt;70℃A时，点火后形成均质燃烧；在70℃Alt;Φlt;20℃A范围内，形成逆向浓度分层燃烧；而当Φlt;20℃A时，则呈现烟羽点火特征。通过对比火焰结构及燃烧效果，发现采用烟羽点火引燃模式可实现指示热效率的最大化，达到 39.3%。该点火模式火焰发展期明显缩短，表现出优越的强化点火性能。因此，适度降低 Φ值有利于初期火核的稳定形成，提升氢气的助燃效果。采用二次喷氢策略可以优化缸内氢气分布，提升动力性。逆向浓度分层燃烧的指示热效率优化幅度最大，达到 1.2%；而烟羽点火燃烧的最佳指示热效率提升为39.6%。当点火提前角较晚时，二次喷氢策略的优化程度更高，该燃烧模式的指示热效率可提升近1%。HCNG的缸内混合气分布较为稳定，其在两种喷氢模式下的变化幅度相对较小。单次喷氢策略最佳排放燃烧模式为逆向浓度分层，二次喷氢策略最佳排放燃烧模式为HCNG，因此适度提高Φ值有利于抑制NOX排放。 （3）探究二次喷氢策略在变浓度煤层气下的助燃特性。在过量空气系数为1.6 的条件下，系统研究了不同喷氢量（7mg、17mg、25mg）对低浓度煤层气发动机的助燃特性。在变化浓度条件下，研究相同喷氢量对低浓度煤层气燃烧特性的变化。结果表明，随着喷氢量的增加，指示热效率随之提高，缸内压力、瞬时放热率等燃烧参数均得到不同程度地优化。喷氢量 25mg 的工况指示热效率最佳，为 40.1%。针对相同的氢气增量，喷氢量 17mg工况对喷氢量 7mg工况的优化效果高于喷氢量为25mg工况对喷氢量17mg工况的优化。综合考虑动力性与经济性，喷氢量为 17mg 被确认为最佳喷氢量。相同喷氢量情况下，过量空气系数的增加会削弱燃烧性能，抑制缸内最高温度，降低NOX排放。
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