預(yù)燃室火花塞在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和氫發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用及發(fā)展

E.SOTIROPOULOU S.KNEPPER S.DEEKEN F.GREWE

火力發(fā)電在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中起著重要作用，但由其產(chǎn)生的CO2排放量約占全球CO2總排放量的40%[1]。能源低碳經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的1項(xiàng)重要課題是充分利用可再生能源，但是以風(fēng)能和太陽能為代表的可再生能源仍存在一定的不穩(wěn)定性?？赏ㄟ^多種方式對(duì)能量進(jìn)行儲(chǔ)存，其中1類方法就是通過電解水的方式制氫，并將制取的氫能進(jìn)行有效儲(chǔ)存。由于未來對(duì)電能的要求將與日俱增，除了通過相關(guān)設(shè)備將風(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)換成電能之外，可使內(nèi)燃機(jī)燃用氫燃料以有效降低排放，并相應(yīng)減少對(duì)電能的需求。這種能源系統(tǒng)提供了1種經(jīng)濟(jì)的解決方案，同時(shí)不會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

零排放;火花塞;天然氣;氫燃料

0?前言

位于德國(guó)巴伐利亞的哈斯富爾特（Hassfurt）的1家煤氣發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模制氫，研究人員利用附近風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)經(jīng)轉(zhuǎn)換而成的剩余電力來實(shí)現(xiàn)電解水，并制取氫能源。該方案可通過質(zhì)子交換膜（PEM）而實(shí)現(xiàn)，并具有諸多優(yōu)勢(shì)[2]，能有效提升氫燃料的產(chǎn)量和制氫效率，以此滿足用電時(shí)的高峰負(fù)荷。

電解水過程所制取的氫可用于火力發(fā)電廠。該能源供應(yīng)模式由2G Energy AG公司開發(fā)，并可提供高達(dá)200 kW的發(fā)電功率。全新的氫發(fā)動(dòng)機(jī)基于Agenitor 406機(jī)型而開發(fā)。該機(jī)型為1臺(tái)直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，缸徑為130 mm，并采用了全新的氫噴射系統(tǒng)，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)能在最高效率下安全可靠地運(yùn)行。

即使將發(fā)動(dòng)機(jī)切換成以氫燃料運(yùn)行，仍然會(huì)產(chǎn)生排放。與燃用天然氣的排放情況相比，由于氫燃料燃燒時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，在過量空氣系數(shù)λ≤2.0時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的氮氧化物（NOx），而氫發(fā)動(dòng)機(jī)在λ≥2.5的情況下運(yùn)行，可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放。其主要挑戰(zhàn)在于空氣增壓系統(tǒng)需要使氫燃料在λ數(shù)值盡可能大的條件下運(yùn)行，但同時(shí)又不對(duì)天然氣的燃燒運(yùn)行過程產(chǎn)生不利影響。

除了增壓機(jī)組之外，對(duì)預(yù)燃室火花塞進(jìn)行優(yōu)化也是1項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。預(yù)燃室火花塞與常規(guī)火花塞相似，所不同的是其電極布設(shè)于預(yù)燃室中，并可通過預(yù)燃室末端的噴孔與主燃燒室相通。在壓縮行程期間，預(yù)燃室中逐漸充滿濃混合氣（圖1（a））。燃燒過程始于預(yù)燃室（圖1（b）），產(chǎn)生的火焰隨后從預(yù)燃室中傳出（圖1（c）），并進(jìn)入主燃燒室（圖1（d））。預(yù)燃室的設(shè)計(jì)對(duì)于燃燒品質(zhì)起著決定性的作用，因此研究人員必須對(duì)每款發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室特性進(jìn)行優(yōu)化。

研究人員可通過對(duì)燃燒室的造型調(diào)整來控制電極間隙附近的可燃混合氣濃度及其運(yùn)動(dòng)特性，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)在不同循環(huán)中的點(diǎn)火時(shí)刻始終相同。與常規(guī)的火花塞相比，預(yù)燃室火花塞產(chǎn)生的多個(gè)火焰束可使主燃燒室內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)引燃，以此降低燃燒過程的循環(huán)波動(dòng)，并且通過火焰束有效縮短了燃燒持續(xù)時(shí)間，具有更高效率。

1?尋求折中

為某款特定用途的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)預(yù)燃室火花塞，需要實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)間的平衡。研究人員必須通過對(duì)預(yù)燃室噴孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而確保電極間隙附近的混合氣處于最佳混合比條件下，并具有最佳的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，火焰束必須以正確的方向噴入主燃燒室，從而使燃燒速度最大化。預(yù)燃室火花塞應(yīng)有一部分伸入燃燒室內(nèi)，以此提高燃燒速率，但不引起早燃現(xiàn)象。預(yù)燃室火花塞的容積必須足夠大，以便能產(chǎn)生強(qiáng)烈的火焰束，但是容積也不能過大，以免使得混合氣被原有的殘余廢氣所稀釋。目前有許多模擬工具能用于優(yōu)化上述目標(biāo)沖突，這些模擬工具可在物理層面上提供具有決定意義的技術(shù)支持。研究人員通常會(huì)在基于物理的數(shù)值流動(dòng)模擬過程中，如計(jì)算流體力學(xué)（CFD）上花費(fèi)較多時(shí)間，以便開發(fā)出最佳的燃燒方案。研究人員將具有專利權(quán)的計(jì)算算法（如熱傳導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算策略、邊界條件和假設(shè)等）與物理模型（如化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和火花點(diǎn)火模型等）相組合，即可實(shí)現(xiàn)較為理想的優(yōu)化過程，從而獲得全新的解決方案。以該款新開發(fā)的預(yù)燃室火花塞為例，可在Agenitor系列機(jī)型中分別燃用氫和天然氣。

在燃用氫燃料的前提下，研究人員設(shè)計(jì)預(yù)燃室火花塞的重要理念之一是使其具有較好的熱性能。氫燃料的自燃性明顯優(yōu)于天然氣，因此必須充分降低預(yù)燃室的表面溫度，但同時(shí)也不可使其過低，以免在燃用天然氣時(shí)導(dǎo)致火焰熄滅。研究人員對(duì)預(yù)燃室及其材料和氣缸蓋冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用每一種燃料時(shí)，在整個(gè)工況范圍內(nèi)都能達(dá)到最佳的預(yù)燃室表面溫度。

2?Prometheus預(yù)燃室火花塞

目前不少研究人員認(rèn)為，由于氫燃料易于自燃，因此在燃用氫燃料時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)無需使用預(yù)燃室火花塞，因?yàn)樵摬考?huì)降低氫燃料燃燒的安全性（圖2）。但實(shí)際情況恰恰相反，為實(shí)現(xiàn)零排放目標(biāo)，氫混合氣較為稀薄，混合氣λ>2.5。在該條件下，氫燃料的自燃性會(huì)顯著降低，因而其燃燒速度也會(huì)相應(yīng)降低（圖3）[3]。研究人員通過采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)燃室火花塞，改善了該類稀薄混合氣的燃燒速度。與此相反，存在缺陷的預(yù)燃室火花塞在燃用氫燃料時(shí)會(huì)導(dǎo)致一系列技術(shù)弊端，從而降低了預(yù)燃室火花塞用于氫發(fā)動(dòng)機(jī)的適用性。

目前，對(duì)應(yīng)用預(yù)燃室火花塞的挑戰(zhàn)在于所開發(fā)的預(yù)燃室火花塞必須能有效平衡發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用天然氣和氫燃料時(shí)的所有目標(biāo)沖突。

設(shè)計(jì)這種火花塞的核心技術(shù)是預(yù)燃室的主動(dòng)掃氣過程。研究人員借助于1個(gè)可側(cè)面貫穿預(yù)燃室的較長(zhǎng)直孔，即可將新鮮混合氣導(dǎo)入至電極間隙附近，在形成火焰束之前就使其在預(yù)燃室中進(jìn)行充分燃燒。同時(shí)，研究人員采用了CFD模擬軟件來優(yōu)化預(yù)燃室參數(shù)（預(yù)燃室?guī)缀螌W(xué)、容積、噴孔方向和其他參數(shù)），以達(dá)到所期望的λ數(shù)值和流動(dòng)速度。特別是使預(yù)燃室內(nèi)的混合氣濃度比主燃燒室內(nèi)更稀，以便減小氫燃料自燃的傾向。缸內(nèi)混合氣必須有著較高的流動(dòng)速度，以便使可燃混合氣在燃燒時(shí)具有足夠的冷卻效果，同時(shí)防止天然氣在250 mg/Nm?3?①的濃度運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致的火焰熄滅。最佳的預(yù)燃室設(shè)計(jì)可通過預(yù)燃室內(nèi)的完全燃燒而產(chǎn)生強(qiáng)烈的火焰束，從而確保主燃燒室內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ミ^程更為迅速和均勻（圖4）。

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

通過實(shí)際運(yùn)行過程可對(duì)全新的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效驗(yàn)證。研究人員將新型火花塞與常規(guī)火花塞進(jìn)行比較，以此檢驗(yàn)Prometheus預(yù)燃室火花塞的工作性能。研究表明，Prometheus預(yù)燃室火花塞在排放量為50 mg/Nm?3或更低的運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)，其效果相比常規(guī)火花塞提高了1.0% （圖5）。特別是在混合氣較為稀薄，NOx排放量低于25 mg/Nm?3的情況下，平均指示壓力（IMEP）的變動(dòng)小于1.5%，而此時(shí)常規(guī)火花塞在NOx排放量為50 mg/Nm?3的情況下，IMEP的變動(dòng)可達(dá)3.0%。由于燃燒穩(wěn)定性得以顯著提高，通過預(yù)燃室火花塞即可有效實(shí)現(xiàn)整機(jī)零排放目標(biāo)。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)配備了氣缸壓力測(cè)量裝置，因此研究人員更易于識(shí)別缸內(nèi)的燃燒狀況。圖6示出了所有6個(gè)氣缸使用標(biāo)準(zhǔn)火花塞和Prometheus預(yù)燃室火花塞時(shí)的燃燒壓力數(shù)據(jù)。正如預(yù)計(jì)，后者的燃燒壓力波動(dòng)有所降低。

據(jù)此就能證實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用氫燃料時(shí)仍具有較高的工作能力。目前，研究人員已通過天然氣進(jìn)行過相似的試驗(yàn)過程，并與原始設(shè)備制造商（OEM）生產(chǎn)的預(yù)燃室火花塞進(jìn)行了比較。在采用了Prometheus預(yù)燃室火花塞后，缸內(nèi)展現(xiàn)出較為穩(wěn)定和迅速的燃燒過程，特別是在排放量為500 mg/Nm?3的情況下運(yùn)行時(shí)，整機(jī)效率提高了0.3%。在排放量為250 mg/Nm?3的情況下運(yùn)行時(shí)，整機(jī)效率提高了0.4% ，而且在排放量為200 mg/Nm?3的情況下運(yùn)行時(shí)，離爆燃極限的裕量進(jìn)一步增大，使用天然氣運(yùn)行時(shí)的稀薄極限與此相似。研究人員在證實(shí)了Prometheus預(yù)燃室火花塞具有預(yù)期的工作能力之后，后續(xù)仍需要對(duì)其進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。

3?結(jié)論

預(yù)燃室火花塞是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)零排放和提高燃料靈活性的有效手段。研究人員通過對(duì)預(yù)燃室的合理設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)熱性能的平衡，同時(shí)改善了整機(jī)效率，并無早燃現(xiàn)象出現(xiàn)。

研究人員通過一系列試驗(yàn)已證實(shí)，Prometheus預(yù)燃室火花塞能在NOx排放量低于50 mg/Nm?3的情況下實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。同時(shí)，該類火花塞與常規(guī)火花塞相比，對(duì)機(jī)械效率的改善超過1.0%。

[1]BLANCO G. Drivers， trends and mitigation[C]. Climate Change 2014： Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change， 2014.

[2]MARIC R. Proton exchange membrane water electrolysis as a promising technology for hydrogen production and energy storage[OL]. https：//www.intechopen.com/books/nanostructures-in-energy-generation-transmission-and-storage/proton-exchange-membrane-water-electrolysis-as-a-promising-technology-for-hydrogen-production-and-en.

[3]HANKINSON G. Ignition energy and ignition probability of methane-hydrogen-air mixtures[C]. 3rd International Conference on Hydrogen Safety， Ajaccio， 2009.