1、隨著世界能源形勢的緊張和環(huán)保要求的日益嚴格，發(fā)動機清潔替代燃料的研究越來越多地受到人們的關注。天然氣由于其儲量大、有害排放低、燃料辛烷值高、價格便宜等優(yōu)點，使之在城市公交系統(tǒng)獲得廣泛的應用。同時由于天然氣是氣體燃料，在發(fā)動機上使用時仍存在以下缺點：火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷芏刃?，著火范圍窄，燃燒時間長，放熱過程等容度低，發(fā)動機熱效率低等。同天然氣相比，氫氣具有火焰?zhèn)鞑ニ俾士?，可燃范圍寬，點火能量低，排氣中無含碳污染物且可再生等優(yōu)點。因此，天然氣

2、摻氫成為發(fā)動機研究的一大熱點。目前有很多學者對天然氣摻氫在發(fā)動機上燃燒開展了研究工作并取得了一些成果，但是，天然氣摻氫燃料發(fā)動機燃燒仍存在一些問題，其中最突出的問題是摻氫之后NOx排放較高。廢氣再循環(huán)（EGR）作為一種降低NOx的主要途徑，引入后可有效降低天然氣摻氫發(fā)動機的NOx排放。
　　本文在國家973項目、863計劃和國家自然科學基金的資助下，系統(tǒng)地開展了天然氣-氫氣混合燃料結(jié)合廢氣再循環(huán)(EGR)發(fā)動機和預混層流燃燒的研究

3、。通過發(fā)動機試驗、定容燃燒彈試驗和化學反應動力學分析，將研究工作由定性發(fā)展為定量，由宏觀深入到微觀，由實驗現(xiàn)象到機理分析，為天然氣摻氫混合燃料發(fā)動機的研究與應用提供了理論和試驗支撐。研究具有重要的學術價值和工程指導價值。獲得的主要創(chuàng)新成果如下：
　　(1)通過天然氣摻氫發(fā)動機結(jié)合EGR的燃燒特性的試驗研究，得到了摻氫和EGR對天然氣發(fā)動機燃燒特性影響的宏觀規(guī)律。最佳點火提前角隨著EGR率的增加而提前，隨著摻氫比的增加而推遲。摻氫比

4、一定時，火焰發(fā)展期、快速燃燒期和燃燒持續(xù)期均隨EGR率的增加而增加；隨摻氫比的增加而縮短。研究發(fā)現(xiàn)，天然氣摻氫對火焰發(fā)展期的降低率大于對快速燃燒期的降低率。
　　(2)通過對天然氣摻氫發(fā)動機結(jié)合EGR的循環(huán)變動特性試驗，分析了摻氫和EGR對天然氣發(fā)動機循環(huán)變動參數(shù)的影響。隨著EGR率的增加，缸內(nèi)最高壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動增加；缸內(nèi)最高壓力和最大壓力升高率與其對應的曲軸轉(zhuǎn)角之間的相關性減弱。隨著EGR率的增加，平均指示壓力的

5、循環(huán)變動增加。EGR率對平均指示壓力的循環(huán)變動系數(shù)的影響呈非線性趨勢。EGR率較小時，循環(huán)變動系數(shù)均保持很低值，摻氫比對循環(huán)變動系數(shù)影響不大；EGR率較大時，循環(huán)變動系數(shù)明顯增加，此時增加摻氫比對降低循環(huán)變動系數(shù)十分有效。對于給定的平均指示壓力的循環(huán)變動系數(shù)，EGR率與摻氫比之間存在線性關系。摻氫比越高，允許使用的EGR率也越高。
　　(3)通過對天然氣摻氫發(fā)動機配合EGR的性能與排放特性研究，得到了摻氫和EGR對天然氣發(fā)動機性能

6、和排放特性的影響規(guī)律。有效熱效率隨EGR率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，在EGR為10％時達到最大值。隨著摻氫比的增加，NOx排放呈現(xiàn)出增加的趨勢；NOx排放隨EGR率的增加而明顯降低，這種降低效果在摻氫比大時更加明顯。HC排放隨EGR率的增加而增加，隨摻氫比的增加而降低。CO和CO2都隨EGR率的增加變化不大，隨摻氫比的增加而降低。研究發(fā)現(xiàn)，n=2000r/min時，摻氫比30%-40%，EGR率10%-20%可獲得最佳的性能和排放綜

7、合指標；n=3000r/min時，摻氫比20%-40%，EGR率20%-30%可獲得最佳的性能和排放綜合指標。天然氣摻氫結(jié)合EGR可實現(xiàn)火花點火發(fā)動機高效低污染燃燒。
　　(4)在定容燃燒彈上利用高速紋影攝像系統(tǒng)，并結(jié)合Chemkin軟件，分別研究了甲烷和氫氣的層流預混燃燒特性和火焰穩(wěn)定性。當稀釋度小于30%時，隨著稀釋度的增加，反應區(qū)厚度和熱擴散厚度增加不大，而預混區(qū)厚度的增加幅度很大。層流燃燒速度隨絕熱火焰溫度的增加呈指數(shù)升高

8、。絕熱火焰溫度對層流燃燒速度起主導作用，而熱擴散系數(shù)起次要作用。層流燃燒速度取決于鏈分支反應和鏈終止反應的競爭。數(shù)值計算還得出層流燃燒速度的降低與H和OH自由基濃度的降低非常相關。當H和OH自由基濃度超過10-3時，層流燃燒速度顯著升高。層流燃燒速度隨初始溫度的增加而升高，隨初始壓力的增加而下降。其原因是壓力和溫度變化時，鏈分支反應和鏈終止反應的競爭結(jié)果。鏈分支反應是溫度敏感性的二體反應，而鏈終止反應是溫度不敏感的三體反應。當初始壓力增

9、大時，化學反應總反應級數(shù)先減小后增大。
　　(5)在定容燃燒彈上利用高速紋影攝像系統(tǒng)，并結(jié)合Chemkin軟件，研究了摻氫對甲烷-空氣層流預混燃燒特性和火焰穩(wěn)定性的影響。層流燃燒速度隨摻氫比的增大而增加，其最大值向濃混合氣方向移動。摻氫比低于40%的區(qū)域為甲烷主導燃燒區(qū)，層流燃燒速度隨摻氫比增加呈線性增加。當摻氫比大于40%以后，層流燃燒速度隨摻氫比的增加呈指數(shù)增加。馬克斯坦長度隨當量比的增加而增加，在大當量比時尤為明顯。研究表明