甲烷摻氫稀釋燃燒的燃燒及排放特性試驗(yàn)

陳 雷，王彥滑,馬洪安，曾 文，宋 鵬

(1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2.大連理工大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所，遼寧 大連 116024； 3.大連民族學(xué)院 機(jī)電信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

甲烷摻氫稀釋燃燒的燃燒及排放特性試驗(yàn)

陳 雷1,2，王彥滑1,馬洪安1，曾 文1，宋 鵬3

(1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2.大連理工大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所，遼寧 大連 116024； 3.大連民族學(xué)院 機(jī)電信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

在一臺轉(zhuǎn)速固定的火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了CO2稀釋對H2-CH4混合燃料燃燒及排放性能影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在一定F.D.R.和H.S.R.范圍內(nèi)，稀釋燃燒對BMEP和熱效率影響不大，NOX排放量則明顯下降。在較高F.D.R.條件下BMEP、熱效率、THC以及CO排放均有所惡化，但在一定的F.D.R.條件下仍能夠建立起較大的以熱效率和NOX排放為依據(jù)的甲烷摻氫稀釋燃燒理想燃料條件范圍。

稀釋燃燒;氫氣;甲烷;NOX排放

近年來，CH4摻氫由于綜合了H2燃燒清潔和天然氣儲量豐富的優(yōu)點(diǎn)，被研究者廣泛的認(rèn)為是一種很有應(yīng)用潛力的發(fā)動機(jī)替代燃料。和CH4相比，H2的燃燒速度快，點(diǎn)火能量小[1]，所以CH4摻氫燃燒具有提高發(fā)動機(jī)的熱效率，降低循環(huán)變動，改善污染物排放的潛力。因此，CH4摻氫燃燒具有重要的研究意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對CH4摻氫燃燒的燃燒及排放性能進(jìn)行了一系列的研究工作。在國內(nèi)，黃佐華[2-4]團(tuán)隊圍繞天然氣摻氫發(fā)動機(jī)的燃燒進(jìn)行了一系列研究。他們發(fā)現(xiàn)天然氣摻氫燃燒可以使CO和UHC排放降低，而且可以提高發(fā)動機(jī)稀燃能力，降低稀燃條件下發(fā)動機(jī)的循環(huán)變動。馬凡華[5]團(tuán)隊在一臺6缸天然氣發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了摻氫比分別為30%和50%的CH4摻氫燃燒試驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)摻氫在很大的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)提高了熱效率。許健[6]等采用實(shí)驗(yàn)研究的手段，在一臺火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)上研究了天然氣摻二氧化碳混合燃料的循環(huán)變動特性。在國外，Akansu[7]在一臺四缸發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了摻氫比分別為0，10%，20%和30%的甲烷摻氫燃燒試驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)，由于H2的低熱值高于CH4，因此隨著摻氫量的增加NO排放有所升高。Mohammed[8]在一臺壓燃發(fā)動機(jī)上研究了點(diǎn)火提前角對摻有少量H2(摻氫比分別為0、3%、5%和8%)的天然氣發(fā)動機(jī)燃燒及排放性能的影響，并發(fā)現(xiàn)在相同點(diǎn)火提前角條件下隨著摻氫比的增加，BMEP和功率都有所升高，燃燒持續(xù)期縮短，THC、CO和CO2排放均有所下降，但NOX排放升高。2012年，Park[9]在一臺火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了摻氫比為10%～40%的天然氣摻氫燃燒試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，隨著摻氫比的升高，發(fā)動機(jī)的循環(huán)變動下降，THC、CO和CO2排放下降，NOX排放上升。Zhang[10]、Silyaba[11]分別研究了摻氫對CNG燃燒過程的影響。

根據(jù)以上文獻(xiàn)，雖然摻氫能夠提高CH4發(fā)動機(jī)的熱效率，改善CO和THC排放，但卻普遍面臨NOX排放升高這一問題；而在這些文獻(xiàn)中，這一問題并沒有得到解決。而且，找到以一定經(jīng)濟(jì)性、排放性指標(biāo)為依據(jù)的理想燃料混合比和當(dāng)量比范圍，對于氣體燃料發(fā)動機(jī)的應(yīng)用有著重要的意義，而這一方面的研究在現(xiàn)有文獻(xiàn)中更是鮮有涉及。因此，為了改善甲烷摻氫燃燒中NOX排放水平并找到其理想燃料條件，本文進(jìn)行了CO2稀釋對甲烷摻氫發(fā)動機(jī)燃燒與排放性能影響的試驗(yàn)研究。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)表

1 試驗(yàn)裝置及相關(guān)參數(shù)定義

本試驗(yàn)所采用的發(fā)動機(jī)是在農(nóng)村地區(qū)廣泛使用的本田GX340汽油機(jī)，試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法均與前期研究類似，并在前文中已有詳細(xì)介紹[12-14]。在本試驗(yàn)中，摻氫比范圍為0～80%，當(dāng)量比范圍為0.2～1.0。表1所示為本研究所采用的發(fā)動機(jī)主要參數(shù)。試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示，CH4、H2、CO2分別儲存于高壓氣瓶中，并在圖中所示的進(jìn)氣混合腔中與空氣混合。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖

由于H2和CO2在混合氣中的體積分?jǐn)?shù)對于燃燒有著很大的影響，為了便于分析，參照前期研究中的方法[10]本文中給出以下兩個定義。

(1)摻氫比(H2Substitution Ratio，H.S.R.)

摻氫比是ΦH2與ΦH2+ΦCH4的比值，如公式(1)所示。

(1)

(2)稀釋率(Fuel Dilution Ratio，F(xiàn).D.R.)

稀釋率是CO2的摩爾數(shù)與燃料-CO2總摩爾數(shù)的比值，如公式(2)所示。

(2)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在前期研究“甲烷摻氫燃燒試驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，在每一組燃料條件下逐漸摻入CO2，考查CO2稀釋對燃燒及排放性能的影響。φ和F.D.R.的變化范圍分別是0.4～1.0以及0～0.7[15]。

圖2所示是F.D.R.對BMEP以及COVIMEP的影響，其中圖中虛線表示的是熱投入量的變化情況。隨著H.S.R.的增加，BMEP和熱投入量均有所下降。從圖中可以看到，在F.D.R.較小時熱投入量和BMEP之間并沒有太明顯區(qū)別，在相同條件下COVIMEP也較低；而在F.D.R.較高時與熱投入量相比BMEP明顯較低，而COVIMEP也較其他條件時明顯升高。在最小當(dāng)量比及H.S.R.條件下，BMEP和熱投入量的差別以及COVIMEP的惡化最為明顯。這種情況在前期研究[10]中已經(jīng)詳細(xì)的分析過，是由于在較低當(dāng)量比及較高F.D.R.條件下發(fā)生部分燃燒而造成的。但是與H2-CO混合燃燒[10]相比，在H2-CH4稀釋燃燒中BMEP和熱投入量存在明顯差別的燃料條件較少，與此對應(yīng)的COVIMEP較高的工況點(diǎn)也較少。這說明H2-CH4混合燃料燃燒比H2-CO具有更好的燃燒特性。

圖2 F.D.R.對BMEP和COVIMEP的影響

圖3所示為BMEP-COVIMEP以及初燃期-COVIMEP的關(guān)系。和H2-CO稀釋燃燒類似[10]，這兩幅圖也分別顯示出正常燃燒和部分燃燒區(qū)域。和H2-CO稀釋燃燒相比，H2-CH4稀釋燃燒中只有在較小φ及H.S.R.的條件下才發(fā)生部分燃燒；這揭示了在較高F.D.R.條件時CH4的燃燒穩(wěn)定性比CO更好。

圖4表示的是F.D.R.對有效熱效率和燃燒持續(xù)期的影響。如圖所示，除φ=0.4-H.S.R.=25%以外，有效熱效率在每一個φ條件下都只在F.D.R.=0.7時才有較明顯下降。這是與圖3中的兩個區(qū)域是相對應(yīng)的。隨著F.D.R.的增加，熱投入量減少，從而導(dǎo)致燃燒速度降低，因此在所有φ條件下主燃期隨著F.D.R.的增加而上升。這導(dǎo)致了燃燒等容度的下降，從而改善有效熱效率。當(dāng)F.D.R.<0.4時，有效熱效率幾乎沒有變化。這對于在不犧牲發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的條件下降低NOX排放有著重要意義。

圖3 BMEP-COVIMEP以及初燃期-COVIMEP的關(guān)系

圖4 F.D.R.對有效熱效率和主燃期的影響

稀釋對于NOX、THC和CO排放的影響如圖5所示。當(dāng)φ<0.8時，由于燃燒溫度較低，因此在大部分條件下NOX排放都很低。當(dāng)φ≥0.8時，較高的燃燒溫度導(dǎo)致NOX排放遠(yuǎn)高于其他φ條件。隨著F.D.R增加，熱投入量降低，因此NOX排放顯著下降。這一變化趨勢和H2-CO稀釋燃燒類似，但由于燃燒溫度不同，H2-CH4燃燒的NOX排放更低。值得注意的是，當(dāng)φ<0.8時各個F.D.R條件下的NOX排放均較低。參照有效熱效率的結(jié)果，能夠以NOX排放和有效熱效率為依據(jù)確定H2-CH4燃燒的最佳燃料條件范圍。

圖5 F.D.R.對NOX,THC和CO排放的影響

隨著F.D.R.的增加，CH4的投入量減少，從這一點(diǎn)看THC的排放應(yīng)該有所下降。但如圖5所示，每一個φ條件下F.D.R.=0.7時的THC排放都要比其他F.D.R.條件的高，而當(dāng)φ=0.4-H.S.R.=25%時，隨著F.D.R.的增加THC排放一直上升。與圖3對比發(fā)現(xiàn)，THC排放較高的區(qū)域與部分燃燒區(qū)域相吻合，因此在相應(yīng)燃料條件下較高的THC排放是由于發(fā)生部分燃燒而造成的。與此同時，隨著F.D.R.的增加燃燒溫度勢必下降，這會導(dǎo)致淬熄距離的增加。這一因素也會導(dǎo)致THC排放升高。

φ對CO排放起著主導(dǎo)作用，所以在化學(xué)計量比條件下CO排放最高。隨著F.D.R.的增加，熱投入量的減小會導(dǎo)致燃燒效率的下降，所以在任意φ條件下CO排放均隨著F.D.R.的增加而升高。

綜合考慮有效熱效率和NOX排放，采用與前期研究相同的方法，能夠建立以φCH4、φH2、H.S.R.和F.D.R.條件為指標(biāo)的CH4發(fā)動機(jī)摻氫稀釋燃燒適宜燃料條件范圍，如表2所示。

表2 理想燃料條件

3 結(jié) 論

(1)在一定H.S.R.及F.D.R.范圍內(nèi)，隨著F.D.R.的增加發(fā)動機(jī)BMEP、COVIMEP、熱效率、THC及CO排放變化不大，NOX排放量則明顯降低。

(2)在較高F.D.R.條件下BMEP、有效熱效率、THC和CO均有所惡化，但在一定的F.D.R.及H.S.R.條件下仍能夠建立起較大的以熱效率和NOX排放為依據(jù)的甲烷摻氫稀釋燃燒理想燃料條件范圍。

(3)CO2導(dǎo)致了部分燃燒，但是與H2-CO燃燒相比，CH4-H2燃燒中發(fā)生部分燃燒的工況點(diǎn)更少。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

ExperimentalresearchofcombustionandemissioncharacteristicsofCH4-H2blendedfuelwithCO2dilution

CHEN Lei1,2,WANG Yan-hua1,MA Hong-an1,ZENG Wen1,SONG Peng3

(1.Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136，China;2.Institute of Internal Combustion Engine,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 3.College of Electromechanical & Information Engineering,Dalian Nationalities University,Dalian,116605,China)

The paper focuses on the effect of CO2dilution on CH4-H2blended combustion in a spark-ignition engine at the speed of 1 500 rpm.The results show that in a certain range of F.D.R.and H.S.R.,dilution has little effect on BMEP and brake thermal efficiency,and NOXemissions decrease significantly.Under high F.D.R.conditions,BMEP,brake thermal efficiency,THC and CO emissions all get worse.However,in a certain range of F.D.R.ideal fuel conditions can be obtained on the basis of brake thermal efficiency and NOXemission.

dilution combustion;H2;CH4;NOXemission

2014-05-30

國家自然科學(xué)基金(項目編號：51409158)；中國博士后基金資助項目(項目編號：2014M551078)

陳雷(1981-)，男，遼寧鐵嶺人，講師，主要研究方向：從事內(nèi)燃機(jī)代用燃料、內(nèi)燃機(jī)高能點(diǎn)火技術(shù)等，E-mail：cl_officer1981@hotmail.com。

2095-1248(2014)04-0012-05

TK43

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.003