煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性試驗(yàn)

陳雷， 宋鵬， 杜寶國(guó)， 隆武強(qiáng)， 馮立巖， 劉愛虢

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110136； 2.大連理工大學(xué) 能源動(dòng)力學(xué)院，遼寧 大連 116023； 3.大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

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煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性試驗(yàn)

陳雷1，2， 宋鵬2，3， 杜寶國(guó)2， 隆武強(qiáng)2， 馮立巖2， 劉愛虢1

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110136； 2.大連理工大學(xué) 能源動(dòng)力學(xué)院，遼寧 大連 116023； 3.大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

為研究燃料組分變化對(duì)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，在一臺(tái)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，探明了稀燃極限以及燃料當(dāng)量比、煤層氣各組分混合比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響，并采用摻氫燃燒的方式研究了摻氫量對(duì)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃極限及循環(huán)變動(dòng)的改善作用。試驗(yàn)結(jié)果表明：煤層氣中CO2含量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性均有較大影響，隨著CO2含量的升高，有效熱效率逐漸下降、并在較高CO2含量時(shí)急劇惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)增加；摻氫能夠有效拓展稀燃極限，隨摻氫量的升高煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性有明顯改善，即使在較低當(dāng)量比條件下采用較高的H2含量仍能獲得較理想的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)(COVIMEP小于5%)。

煤層氣；火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)；運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；稀燃極限；CO2稀釋；有效熱效率

受開采技術(shù)的限制，長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)低濃度煤層氣資源大多采取直接排入大氣的處置方式[1-3]。由于煤層氣中主要可燃組分甲烷的溫室效應(yīng)及對(duì)臭氧層的破壞能力遠(yuǎn)高于二氧化碳[4]，因此這種簡(jiǎn)單的處置煤層氣的方式帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問題；而且煤層氣的儲(chǔ)量巨大，直接排空導(dǎo)致了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)[5-7]。近年來(lái)，隨著開采和運(yùn)輸技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)能夠?qū)⒌孛娉椴擅簩託?coal bed methane， CBM)和井下抽采煤層氣(coal mine methane， CMM)用于驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電[1]。這一舉措不僅有效地改善了排空所造成的環(huán)境污染問題，還極大地降低了瓦斯爆炸事故的概率，取得了巨大的效益。

作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，煤層氣具有抗爆性較好、燃燒清潔、啟動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。但與其他氣體燃料相比，其缺陷同樣顯著：煤層氣主要可燃成分甲烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊蚚4]，使得煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒持續(xù)期長(zhǎng)，對(duì)經(jīng)濟(jì)性有一定影響；煤層氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)變化巨大，尤其對(duì)于作為超低濃度煤層氣中的礦井乏風(fēng)(ventilation air methane， VAM)而言其甲烷含量只有0.05%～1%[1]，這導(dǎo)致煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)較高，同樣的原因也造成了煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃性能較差。這些問題使煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電效率大打折扣，并嚴(yán)重限制了低濃度煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用領(lǐng)域。

針對(duì)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中存在的上述問題，研究者進(jìn)行了深入的探索。Zuo等在一臺(tái)經(jīng)改造的S195發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了低品位煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)[8]，分析了煤層氣組分(CH4、CO2及O2的百分含量)及負(fù)荷變化對(duì)主要污染物(NOx、CO、HC)排放水平的影響。結(jié)果表明，隨著CH4含量及負(fù)荷的增加，CO及HC排放均有所降低，但NOx的排放升高。李從心等研究了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同組分的煤層氣在不同負(fù)荷下的缸壓、放熱率、火焰發(fā)展期、主燃燒期及其排放性能[9]。研究結(jié)果表明：隨著煤層氣中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)的增加，最高缸內(nèi)壓力和壓力升高率降低，燃燒放熱率峰值下降，火焰發(fā)展期變長(zhǎng)，放熱率曲線型心對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角偏離上止點(diǎn)；發(fā)動(dòng)機(jī)HC 和CO排放濃度增大，而NOx排放大幅度下降。Gao等[10]也分別從空燃比控制的角度進(jìn)行了煤層氣運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在組分變化對(duì)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放影響方面進(jìn)行了較多的研究工作，但是在煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性改善、尤其是稀燃能力改善方面的研究成果還較少。而大部分煤層氣資源中CH4的含量普遍較少，探索提高低CH4含量煤層氣的利用方法、以及改善煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的技術(shù)至關(guān)重要。因此，開展通過燃料調(diào)節(jié)的方式提高煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性并拓寬其稀燃極限的研究，對(duì)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電效率的提升十分必要，同時(shí)對(duì)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展也具有重要意義。

本文對(duì)一臺(tái)目前廣泛應(yīng)用于小型發(fā)電設(shè)備的火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改造，并在改造后的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為單缸、四沖程、風(fēng)冷的本田GX340火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為8.0，排量為337 cm3。為滿足本試驗(yàn)要求，對(duì)其進(jìn)行了一定改造：氣缸壓力采用KISTLER公司的6125A型壓力傳感器測(cè)量，測(cè)得的數(shù)據(jù)由KISTLER 5011B型 電 荷 放 大 器 放 大 及 轉(zhuǎn) 換；原發(fā)動(dòng)機(jī)是汽油機(jī)，試驗(yàn)中在該發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝了自行開發(fā)的ECU系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)供氣時(shí)刻、供氣脈寬及點(diǎn)火時(shí)刻等的綜合控制；在進(jìn)氣道中加裝的進(jìn)氣混合器中安裝了KEIHIN產(chǎn)氣體噴射電磁閥。試驗(yàn)中，保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min、最佳點(diǎn)火提前角(maximum brake torque， MBT)以及節(jié)氣門全開(wide open throttle， WOT)條件不變。試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)保有量大，但壓縮比較低。為了在實(shí)際發(fā)電機(jī)平臺(tái)上盡可能少的進(jìn)行硬件改裝，在本研究中作者并沒有提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，而是采用調(diào)整燃料組分的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的。

在試驗(yàn)中，首先以CH4及CO2的混合氣模擬煤層氣，通過改變當(dāng)量比及CH4-CO2的混合比模擬實(shí)際煤層氣組分；隨后，采取摻混H2的方法以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性并提高稀燃能力。試驗(yàn)所采用當(dāng)量比Φ范圍為0.4～1.0。定義V(CO2)為CO2在模擬煤層氣中的體積百分?jǐn)?shù)，V(CH4)為CH4在CH4-H2中的體積百分?jǐn)?shù)，V(H2)為H2在CH4-H2中的體積百分?jǐn)?shù)，其范圍分別為：V(CO2)為0～70%，V(CH4)為30%～100%，V(H2)為17%～75%。試驗(yàn)中所采用的當(dāng)量比Φ定義為所有可燃組分(CH4+H2)的總當(dāng)量比，即Φ=ΦCH4+ΦH2；并且在Φ的計(jì)算中僅考慮空氣、CH4及H2，不考慮CO2。

為了獲得更豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使本試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)煤層氣、沼氣等以CH4為主要可燃組分的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)研究均有借鑒意義，試驗(yàn)中采用了比實(shí)際煤層氣可燃組分濃度范圍更大的V(CH4)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1所示為煤層氣組分對(duì)有效熱效率的影響。如圖所示，隨著燃料中CO2含量的升高有效熱效率有所下降，而且下降趨勢(shì)隨著CO2含量的升高而逐漸增加。這是因?yàn)镃O2含量的升高導(dǎo)致了熱投入量減少，混合氣中惰性成分增多，燃燒速度減慢。當(dāng)CO2含量大于60%時(shí)，有效熱效率的急劇下降表明此時(shí)燃燒的急劇惡化。

圖2所示為135個(gè)連續(xù)循環(huán)的IMEP變化散點(diǎn)圖。本研究中在每個(gè)工況下的135個(gè)連續(xù)循環(huán)均為開機(jī)一段時(shí)間后保持MBT及WOT條件、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r/min、冷卻水溫度介于50 ℃～90 ℃、扭矩示數(shù)穩(wěn)定后開始計(jì)算的連續(xù)循環(huán)。如圖所示，在當(dāng)量比Φ及CO2含量較低時(shí)，IMEP散點(diǎn)分布區(qū)間變化范圍不大；隨著當(dāng)量比Φ及CO2含量的升高IMEP散點(diǎn)分布區(qū)間有所擴(kuò)大，且擴(kuò)大的范圍逐漸增加。這是由于燃料組分變化導(dǎo)致的燃燒速度及熱投入量的變化造成的。循環(huán)變動(dòng)主要是由初燃期火焰?zhèn)鞑サ淖兓瘜?dǎo)致的，CO2的增加勢(shì)必造成燃燒速度的減慢，因此燃料中更多的CH4意味著更穩(wěn)定的燃燒過程。

圖3所示為CO2含量對(duì)循環(huán)變動(dòng)的影響。本研究采用COVIMEP作為煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，COVIMEP定義為IMEP的循環(huán)變動(dòng)系數(shù):

(1)

如圖3所示，在當(dāng)量比Φ位于稀燃極限時(shí)，即使在較小的CO2含量條件下COVIMEP也處于較高水平；而當(dāng)CO2含量增加至60%以上時(shí)，在各當(dāng)量比條件下COVIMEP均急劇升高。如前文所述，COVIMEP的惡化歸因于混合氣中的CO2含量過高時(shí)過少的投入熱量和過慢的燃燒速度。

圖1 煤層氣組分對(duì)有效熱效率的影響Fig.1 Effect of fuel component on brake thermal efficiency

圖2 IMEP散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram of IMEP

圖3 CO2含量對(duì)循環(huán)變動(dòng)的影響Fig.3 Effect of CO2 concentration on cyclic variation

從上述試驗(yàn)結(jié)果的分析中可以得到：煤層氣主要成分甲烷的稀燃極限為Φ=0.63，發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃極限條件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)循環(huán)變動(dòng)很大，經(jīng)濟(jì)性較差；當(dāng)煤層氣中CO2含量較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)和經(jīng)濟(jì)性均急劇惡化。這是由于煤層氣中較高的CO2導(dǎo)致的，這一問題也將導(dǎo)致煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率及轉(zhuǎn)速的大范圍變化。但由于煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際利用中多用于帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。因此，為了改善煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性并擴(kuò)展稀燃極限，本研究采取了摻氫燃燒的方式。為了研究摻氫對(duì)稀燃極限及全工況條件下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響，本試驗(yàn)中在所有當(dāng)量比條件下均采用了摻氫的策略，并著重考察原稀燃極限、以及較大CO2含量條件下?lián)綒淙紵陌l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

圖4所示為摻氫燃燒對(duì)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率的影響。與單純煤層氣燃燒相比，摻氫對(duì)稀燃極限的擴(kuò)展作用明顯，在Φ=0.4的工況下發(fā)動(dòng)機(jī)仍能穩(wěn)定工作，并獲得較高的熱效率。在當(dāng)量比Φ一定的條件下，隨著摻氫量的增加，有效熱效率有所升高，而隨著CO2含量的增加有效熱效率明顯下降。有效熱效率的這一變化是由H2及CO2分別對(duì)燃燒速度的促進(jìn)及抑制作用導(dǎo)致的。

圖4 摻氫燃燒對(duì)有效熱效率的影響Fig.4 Effect of hydrogen addition on brake thermal efficiency

與圖1所示摻氫前有效熱效率的變化情況相比，除個(gè)別工況外，隨著CO2含量的增加有效熱效率均呈現(xiàn)平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，即使在高CO2含量工況也沒有出現(xiàn)有效熱效率急劇下降的情況。這說(shuō)明即使煤層氣中CO2含量含量較高時(shí)摻氫也能夠有效改善燃燒過程，從而獲得更多的有效輸出。

圖5所示為煤層氣摻氫的135個(gè)連續(xù)循環(huán)的IMEP變化散點(diǎn)圖。與煤層氣燃燒相比，摻氫后IMEP散點(diǎn)的分布范圍明顯更為集中，僅在Φ=0.4、H2含量為25%的條件下散點(diǎn)分布范圍較大。摻氫使得煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作更加平穩(wěn)，因此如圖6所示的COVIMEP在Φ為0.4～1.0、CO2含量為0～70%的寬廣燃料范圍內(nèi)均能夠得到COVIMEP<5%的理想結(jié)果。

圖5 摻氫燃燒的IMEP散點(diǎn)示意圖Fig.5 IMEP scatter diagram of hydrogen blended combustion

圖6 摻氫對(duì)COVIMEP的影響Fig.6 Effect of hydrogen addition on COVIMEP

3 結(jié)論

本研究在一臺(tái)單缸電控火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性試驗(yàn)，研究了當(dāng)量比及煤層氣中CO2含量對(duì)稀燃極限及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響，并探索了摻氫燃燒對(duì)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性及稀燃極限的促進(jìn)作用。結(jié)果表明：

1)隨著煤層氣中CO2含量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性均有所下降，當(dāng)CO2含量較大時(shí)此兩項(xiàng)指標(biāo)均急劇惡化；

2)摻氫后，煤層氣的稀燃極限由Φ=0.63擴(kuò)展至Φ=0.4，且在稀燃極限條件下若采用較高的H2含量則發(fā)動(dòng)機(jī)仍能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)(COVIMEP<5%)；在各工況下?lián)綒淙紵艿玫礁偷腃OVIMEP及更高的熱效率；

3)摻氫燃燒能夠有效地拓展煤層氣稀燃極限并提高煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，具有拓寬煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。

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Experimental research to improve operational stability of a coal-bed gas fueled spark ignition engine

CHEN Lei1，2， SONG Peng2，3， DU Baoguo2， LONG Wuqiang2， FENG Liyan2， LIU Aiguo1

(1. Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System， Shenyang Aerospace University， Shenyang 110136， China; 2.School of Energy and Power Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116023， China; 3. College of Mechanical and Electronic Engineering， Dalian Minzu University， Dalian 116600， China)

We conducted experimental research on the operational stability of coal-bed gas to study the effect of component variation on performance of an SI (spark ignition) engine. The lean-burn limit and the influence of the equivalence ratio and component mixing ratio of the blended fuel on the engine economy and operation stability were obtained. The lean-burn limit and cyclic variation were improved via hydrogen additives. The results showed the composition of carbon dioxide (CO2) greatly influenced both engine economy and operation stability. As CO2concentration increased， there was a gradual decrease in brake thermal efficiency. However， there was a sharp decline in the brake thermal efficiency in the high CO2concentration range. It also led to higher cyclic variation. Hydrogen additives resulted in a wider lean-burn limit， and the operation stability of the coal-bed gas engine improved with increasing H2concentration. Ideal operation stability could be obtained when the COVIMEP(coefficient of cyclic variation of IMEP) was less than 5%， even under low equivalence ratio conditions due to high H2component.

coal-bed gas; spark ignition engine; operation stability; lean-burn limit; CO2dilution; brake thermal efficiency

2016-03-28.

日期：2017-03-13.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409158，51509035)；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M551078).

陳雷(1981-)， 男， 副教授； 宋鵬(1978-)，女，高級(jí)工程師; 隆武強(qiáng)(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

宋鵬， E-mail:spony@dlnu.edu.cn.

10.11990/jheu.201603090

TK417

A

1006-7043(2017)04-0583-05

陳雷， 宋鵬， 杜寶國(guó)，等.煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性試驗(yàn)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 38(4): 583-587.

CHEN Lei， SONG Peng， DU Baoguo， et al.Experimental research to improve operational stability of a coal-bed gas fueled spark ignition engine[J].Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(4): 583-587.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170313.0911.002.html