稀釋氣體對(duì)點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

儲(chǔ)利民，何卓遙，朱磊

(1.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200432；2.上海交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，上海 200240)

隨著當(dāng)今世界石油能源和環(huán)境危機(jī)問題愈演愈烈，尋求可持續(xù)清潔能源迫在眉睫。天然氣因其儲(chǔ)量大、燃燒清潔而受到青睞，并已經(jīng)作為動(dòng)力能源廣泛地應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域。天然氣既可應(yīng)用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)(雙燃料)，也可以應(yīng)用于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，目前，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要是以點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的形式出現(xiàn)。點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有與傳統(tǒng)柴油機(jī)或汽油機(jī)幾乎相當(dāng)?shù)膭?dòng)力性能，且裸機(jī)排放性能顯著優(yōu)于前兩者。然而，天然氣因其均質(zhì)富氧的燃燒特性使得其具有較高的缸內(nèi)燃燒溫度和較多的NOx排放。

在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，EGR策略是控制NOx排放的有效措施。這主要源于EGR中含有大量高比熱容的氣體，如CO2，H2O等，這些氣體具有降低缸內(nèi)燃燒溫度的作用，從而抑制NOx的生成。在柴油機(jī)中，稀釋氣體EGR被認(rèn)為具有稀釋作用(降低進(jìn)氣氧濃度)、熱作用(改變進(jìn)氣比熱容)和化學(xué)作用(參與化學(xué)反應(yīng))3種作用[1-4]，其中化學(xué)作用主要體現(xiàn)在CO2和H2O高溫下分解后參與燃燒化學(xué)反應(yīng)。柴油機(jī)以變質(zhì)調(diào)節(jié)模式工作，而點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)以變量調(diào)節(jié)模式工作，以上所提及的3種效應(yīng)在這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)揮的作用有所不同。N.Ladommatos等[2]指出，同稀釋作用和熱作用相比，化學(xué)作用較為微弱。因此，本研究將針對(duì)EGR氣體在點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的稀釋作用和熱作用展開研究。

1 試驗(yàn)臺(tái)架和試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)以SC5DT 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 SC5DT發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

測(cè)功機(jī)采用CW260B-1800/7500電渦流測(cè)功機(jī)，采用Panther控制系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。采用Woodward OH2CNG電控單元對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。采用CAI-HCLD測(cè)量NOx排放，采用CAI-HFID測(cè)量HC排放，采用CAI-602P對(duì)進(jìn)氣O2濃度和排氣CO進(jìn)行測(cè)量。缸壓傳感器采用Kistler 6118BFD35Q03A41火花塞傳感器一體式裝置。缸壓數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)使用D2T Osiris發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析儀。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置見圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置示意

本研究中，稀釋氣體的稀釋程度用稀釋氣體在總進(jìn)氣中的占比Rdil表征(見式(1))。為此，采用稀釋后進(jìn)氣道中的O2濃度(fO2dil)進(jìn)行計(jì)算(見式(2))。其中，fO2inAir為空氣中的氧濃度。因此，試驗(yàn)中對(duì)中冷后的O2濃度進(jìn)行了測(cè)量。缸壓傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的第2缸。排氣溫度和排放物的測(cè)量點(diǎn)在渦輪和消聲器之間。天然氣氣耗由OH2CNG電控系統(tǒng)給出。

(1)

(2)

在點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，若發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣燃料量和當(dāng)量比一定，稀釋氣體則引起進(jìn)氣總量增加，由此引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改變稱為稀釋作用；稀釋氣體引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的總熱容增加，由此引起的發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化稱為熱作用。在此需要指明，稀釋作用和熱作用的性質(zhì)不針對(duì)特定的稀釋氣體，是所有稀釋氣體都具有的共性，其性質(zhì)一樣，但其量則因稀釋氣體的不同而不同。然而，對(duì)于任何單一的稀釋情形，其稀釋作用和熱作用混為一體。為此，本研究采用對(duì)比隔離法對(duì)稀釋作用和熱作用的性質(zhì)進(jìn)行研究。EGR主要成分為CO2，N2和H2O，在當(dāng)量比小于1.0的情形下還存在O2。而在這些成分中，O2是參與燃燒的氧化劑而非稀釋氣體；CO2和H2O雖是稀釋氣體但均具有化學(xué)作用[6]，這會(huì)給隔離試驗(yàn)引入干擾因素，從而難以隔離出熱作用和化學(xué)作用。相比之下，N2化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，作為稀釋氣體，它僅具有熱作用和化學(xué)作用，因此可以作為對(duì)比隔離試驗(yàn)中的一種對(duì)比氣體。為進(jìn)行對(duì)比隔離試驗(yàn)，還需要選擇一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，而比熱容與N2有明顯差異的氣體。惰性氣體則明顯可以滿足這樣的要求。Ar因相對(duì)較經(jīng)濟(jì)而被用作對(duì)比隔離試驗(yàn)的稀釋氣體。

圖2 稀釋作用和熱作用的對(duì)比隔離原理

(3)

(4)

本試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，點(diǎn)火提前角為20°BTDC，當(dāng)量比為0.73，負(fù)荷為平均有效壓力 0.765 MPa(即50%負(fù)荷，323 N·m)。稀釋氣體則采用N2和Ar。N2和Ar稀釋比Rdil從0%增加直至發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架失穩(wěn)或者停機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 稀釋氣體的熱作用分析

圖3示出N2和Ar稀釋情形下的缸壓和放熱率曲線的對(duì)比。首先，由圖3可以看出，同無稀釋的情形相比，N2和Ar稀釋均使缸壓和放熱率峰值降低，放熱相位推遲。相比之下，N2稀釋對(duì)放熱率的抑制作用較強(qiáng)。在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，進(jìn)氣稀釋最直接的影響是降低混合氣的摩爾能量密度。因此，進(jìn)氣稀釋使得缸內(nèi)混合氣的燃燒溫度降低，火焰?zhèn)鞑プ兟?，火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)(見圖4)。

圖3 熱作用對(duì)缸壓和放熱率影響的規(guī)律

圖4 熱作用對(duì)火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期的影響

除此之外，進(jìn)氣稀釋同樣也會(huì)改變混合氣的比熱容。N2的比熱容較大，而Ar的比熱容較低，故在同樣的稀釋率下，N2稀釋引起的進(jìn)氣的熱容增量較多，其相應(yīng)的缸內(nèi)火焰溫度較低。所以，如圖3至圖5所示，N2稀釋下的缸壓和放熱率峰值較低，缸內(nèi)燃燒平均溫度峰值較低，火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期較長(zhǎng)。也正是由于缸內(nèi)燃燒溫度的降低，導(dǎo)致了缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性隨著稀釋程度的增加而降低，CovIMEP增加。而相比之下，N2稀釋比Ar稀釋的作用更加明顯。

通過以上的分析可知，熱作用使得缸內(nèi)燃燒速度變慢，缸壓和放熱率峰值降低，放熱相位推遲，燃燒溫度降低且燃燒穩(wěn)定性惡化。

圖5 熱作用對(duì)平均指示壓力循環(huán) 變動(dòng)和缸內(nèi)燃燒峰值的影響

圖6至圖8示出N2和Ar進(jìn)氣稀釋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)排放的影響對(duì)比。在圖6中，隨著稀釋比的增加，不論N2還是Ar稀釋情形，NOx排放值均隨之降低。NOx主要源于缸內(nèi)的高溫條件，這一點(diǎn)可以從圖6中的NOx排放數(shù)值與缸內(nèi)平均溫度峰值的高度線性關(guān)系得以證實(shí)。不過，相比之下，N2稀釋對(duì)NOx排放的降低作用更加明顯。這主要是由于N2具有更高的比熱容，其稀釋使得缸內(nèi)燃燒溫度更低[5-7]，從而更加顯著地抑制了NOx的生成。

在圖7a中，隨著稀釋率的增加，THC排放隨之增加。當(dāng)稀釋程度較低時(shí)，進(jìn)氣稀釋使缸內(nèi)燃燒溫度降低，壁面淬熄層厚度增加，從而使THC排放增加；而當(dāng)稀釋程度較高時(shí)，進(jìn)氣稀釋還容易引起缸內(nèi)大面積淬熄甚至失火現(xiàn)象，從而使THC排放急劇增加。這表明THC排放與缸內(nèi)燃燒溫度存在極其密切的關(guān)系。由于N2稀釋時(shí)的缸內(nèi)燃燒溫度較低，因而其THC排放較高。在圖8中，在較低稀釋程度下，N2稀釋下的CO排放值略低，在較高稀釋程度下，N2稀釋情形下的CO排放值更高。CO排放主要受到三方面因素的影響：即缸內(nèi)化學(xué)平衡、CO的后期氧化、HC排放的后期氧化。進(jìn)氣稀釋使得缸內(nèi)燃燒溫度降低，化學(xué)平衡(CO2與CO之間的平衡)向著CO減少、CO2增加的方向發(fā)展，因而使得整機(jī)CO排放降低。當(dāng)稀釋程度較高時(shí)，缸內(nèi)燃燒惡化，THC排放較高，源于THC排放后期氧化的CO增加，從而引起CO排放的增加。

在圖6至圖8中，N2和Ar稀釋情形的差異即為熱作用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響。根據(jù)以上分析可知，熱作用使得NOx排放降低，THC排放增加。在較低稀釋率情形下，熱作用使CO排放降低；而在較高稀釋率情形下，熱作用則使CO排放增加。

圖6 熱作用對(duì)NOx排放的影響

圖7 熱作用對(duì)THC排放的影響

圖8 熱作用對(duì)CO排放的影響

圖9示出N2和Ar稀釋下的整機(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。由圖可知，N2稀釋下的燃油消耗率更高。由此表明，熱作用使得整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性變差。前述分析表明，熱作用導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒質(zhì)量劣化，排放性能變差。也正是由于上述原因，熱作用使得整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性劣化。

圖9 熱作用對(duì)整機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

2.2 稀釋氣體的稀釋作用分析

圖10 稀釋作用對(duì)缸壓和放熱率峰值的影響

圖11 稀釋作用對(duì)火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期的影響

圖12 稀釋作用對(duì)缸內(nèi)平均溫度峰值和θCA50的影響

上述分析表明，稀釋作用使缸內(nèi)燃燒速度變慢，缸內(nèi)燃燒溫度降低，放熱率峰值降低且放熱相位推遲。

圖13 稀釋作用對(duì)CO和THC排放的影響

圖14 稀釋作用對(duì)NOx排放和燃油消耗率的影響

盡管稀釋作用使缸內(nèi)燃燒質(zhì)量變差，但由圖14可知，稀釋作用卻使整機(jī)經(jīng)濟(jì)性提高，燃油消耗率降低。為了分析產(chǎn)生以上結(jié)果的原因，本研究對(duì)稀釋氣體影響整機(jī)經(jīng)濟(jì)性的主要因素(放熱定容度、燃燒效率、泵氣損失，等熵指數(shù))進(jìn)行分析(見圖15)。由圖15可知，稀釋作用使燃燒定容度和燃燒效率降低，而對(duì)泵氣損失沒有顯著影響。以上幾點(diǎn)均不能解釋稀釋作用使經(jīng)濟(jì)性提高這一結(jié)論。不過，從圖15可以看出，稀釋效應(yīng)使缸內(nèi)工質(zhì)的等效等熵指數(shù)顯著增加，這正是稀釋作用使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性改善的主要原因。

圖15 燃油消耗率的影響因素分析

3 結(jié)論

a) 熱作用和稀釋作用均惡化缸內(nèi)燃燒狀況，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，火焰發(fā)展期和極速燃燒期增加，燃燒相位推遲,NOx排放降低，THC排放增加;

b) 熱作用惡化整機(jī)經(jīng)濟(jì)性，而稀釋作用可使整機(jī)經(jīng)濟(jì)性提高；

c) 稀釋作用提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的主要原因在于其提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)等熵指數(shù)。

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