加氫對天然氣發(fā)動機燃燒影響的試驗分析

周 磊，李 蓉

加氫對天然氣發(fā)動機燃燒影響的試驗分析

周 磊，李 蓉

（武漢軟件工程職業(yè)學院 汽車工程學院，湖北 武漢 430205）

在能源與環(huán)境的雙重壓力下，天然氣發(fā)動機中加氫是一種可以改善發(fā)動機特性很好的途徑。為了研究加氫的比例對天然氣發(fā)動機燃燒與性能的影響，文章將對一臺天然氣發(fā)動機進行加氫設備改造并進行臺架試驗。研究結果表示，加氫可以加快混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短缸內燃燒的持續(xù)期，并明顯提前燃燒重心，進一步提高最高燃燒溫度和最高爆發(fā)壓力。但隨著發(fā)動機負荷的增加，這種促進作用在逐漸減弱。

天然氣發(fā)動機；加氫比例；燃燒性能；臺架試驗

中國汽車工業(yè)自21世紀以來進入了高速發(fā)展時期，隨著汽車保有量的持續(xù)增長，我國面臨著環(huán)境污染以及能源短缺的雙重壓力，制定的燃油消耗率和排放標準也越來越嚴格，發(fā)動機工程師們正致力于尋求一種能夠在提高發(fā)動機經(jīng)濟性的同時可以降低有害物排放的方法。

天然氣由于其較高的熱效率及良好的經(jīng)濟性、安全性和排放性能，被普遍認為是一種優(yōu)質、高效、清潔的代用燃料。但天然氣作為發(fā)動機燃料時，其火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢的性質會延長發(fā)動機缸內燃燒時間，燃燒重心也會因此遠離上止點，導致發(fā)動機的動力性會出現(xiàn)一定程度的下降。而氫氣作為一種熱值高、排放特性好的燃料，其較高的火焰?zhèn)鞑ニ俾士梢詮浹a天然氣燃燒速率慢、熱效率低的缺陷，所以天然氣加氫可以較好地改善天然氣發(fā)動機的性能。

為了研究加氫對天然氣發(fā)動機的影響，NAVARRO E等[1]建立了天然氣發(fā)動機加氫的零維數(shù)值仿真模型，仿真結果顯示，天然氣發(fā)動機加氫會提高缸內最高爆發(fā)壓力，減少一氧化碳的排放量。鄧玄亮等[2]采用Chemkin軟件對燃氣輪機中天然氣燃料加氫進行了數(shù)值計算，計算結果表明，加氫對天然氣燃氣輪機的燃燒有一定的促進作用，但加氫比例超過60%時，需要進行綜合評估。董永超等[3]進行了天然氣發(fā)動機摻氫試驗，試驗結果表明，在發(fā)動機轉速為1 000 r/min、節(jié)氣門開度為50%時，天然氣發(fā)動機最佳摻氫比為40%。

目前國內外的研究主要是針對天然氣發(fā)動機進行加氫仿真計算，而試驗研究多在單個工況下進行，因此，本文在上述研究成果基礎上，進行了不同工況下加氫比例對天然氣發(fā)動機燃燒與性能影響的試驗研究，對天然氣發(fā)動機的開發(fā)與優(yōu)化具有非常重要的意義。

1 試驗方案

1.1 臺架試驗

本試驗以一臺直列六缸、9.7 L排量、進氣總管單點噴氣、點燃式天然氣發(fā)動機為基礎，進行加氫裝置的改裝設計，來建立一個可以根據(jù)不同加氫能量比來控制噴氫量的天然氣發(fā)動機加氫試驗平臺，并以此為研究對象，深入研究加氫對天然氣發(fā)動機燃燒與性能的影響，發(fā)動機基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

類型參數(shù) 型式直列六缸、9.7 L、進氣總管單點噴氣、點燃式天然氣發(fā)動機 缸徑×行程/(mm×mm)126×130 連桿長度/mm219 排量/L9.729 壓縮比13.6 額定功率/kW/轉速/(r/min)250/2 200 最大扭矩/(N·m)/轉速/(r/min)1 350/1 200～1 500 怠速穩(wěn)定轉速/(r/min)600±50 最低燃油消耗/[g/(kW·h)]195

為了保證能夠準確控制氫氣的噴射量以滿足不同的加氫能量比要求，本次試驗在原有天然氣供應管路的基礎上，為氫氣也安裝了一套燃氣供應管路并配有噴射控制系統(tǒng)，如圖1所示，天然氣和氫氣分別從各自的儲氣瓶中進入燃料供應管路，并通過各自的壓力調節(jié)器減壓后進入各自的噴射器噴射至進氣歧管與空氣混合，然后燃料與空氣的混合氣通過節(jié)流閥進入氣缸中燃燒。

本次試驗需要采集的數(shù)據(jù)較多，因此，臺架試驗中用到的儀器也比較多，為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，盡可能地減少試驗誤差，本次試驗采用了湖南湘儀動力測試儀器有限公司的電力測功機、AVL燃燒分析儀以及排放測量儀等先進設備。具體試驗儀器和設備如表2所示。

表2 主要試驗儀器和設備

儀器名稱型號 電力測功機湘儀CAC-380 測功機控制系統(tǒng)湘儀FC2012 燃燒分析儀AVL INDISET ADVANCEDCED 排放測量儀HORIBA MEXA-584L 天然氣流量測量儀TOCEIL CMF025 缸壓傳感器Kistler D14FR-5DD2B 信號放大器AVL F1

1.2 試驗工況

試驗過程中，發(fā)動機先進行熱機，當水溫及油溫到達試驗要求時，在發(fā)動機轉速為1 000 r/min、1 400 r/min以及1 800 r/min時，保持轉速不變，調節(jié)負荷由制動平均有效壓力（Brake Mean Effective Pressure, BMEP）由2 bar調至10 bar，以4 bar為間隔，逐個工況點進行試驗，穩(wěn)定3分鐘后開始記錄實驗數(shù)據(jù)。

本次研究以燃燒放熱率、燃燒持續(xù)期（0～10%、10%～90%、50%燃燒點）、最高燃燒溫度、最高爆發(fā)壓力等燃燒參數(shù)作為燃燒性能的評判標準，燃燒參數(shù)均由缸壓傳感器測得的缸壓數(shù)據(jù)計算而來，由于本試驗采取加氫能量比為單一變量，所以需要控制過量空氣系數(shù)、點火提前角以及節(jié)氣門開度保持不變。

2 加氫對天然氣發(fā)動機燃燒性能的影響分析

2.1 加氫對燃燒放熱率的影響

從圖2中可以看出，隨著加氫能量比的提高，瞬時放熱率的最高值在逐漸提高，其對應的曲軸轉角也在更加靠近壓縮上止點，可以看出這種提升在小負荷時尤為明顯，對比圖2(a)和圖2(b)兩張圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著負荷的提高，加氫對天然氣發(fā)動機瞬時放熱率的提升作用依舊明顯，但可以看出其影響作用正逐漸降低。本文只對加氫后天然氣發(fā)動機的瞬時放熱率進行了定性分析，后面將通過燃燒持續(xù)期、最高燃燒溫度、最高爆發(fā)壓力等參數(shù)對天然氣發(fā)動機加氫后的缸內燃燒過程進行分析。

圖2 不同負荷下加氫能量比對瞬時放熱率的影響

2.2 加氫對燃燒持續(xù)期的影響

2.2.1加氫對0～10%燃燒持續(xù)期的影響

發(fā)動機缸內燃燒過程中0～10%燃燒持續(xù)期表示著燃料著火性能的好壞，由圖3可知，當混合氣中氫氣含量提高時，從開始燃燒對燃燒10%混合氣的時間也在縮短，這是H-H共價鍵比C-H共價鍵更容易斷開，也就是氫氣更容易釋放能量。隨著混合氣中氫氣含量提高，其形成火焰中心的能力也逐漸增強，那么從開始著火燃燒到形成火焰中心的相對時間也會相應縮短[4]。

對比圖3(a)和圖3(b)兩張圖可以發(fā)現(xiàn)，在中負荷時，雖然隨著加氫能量比的增加，0～10%燃燒持續(xù)期也在逐漸縮短，但較之小負荷時，提升效果并不那么顯著，這是由于隨著負荷的提高，發(fā)動機缸內初始溫度和壓力均比較高，這兩者也會對燃燒火焰中心的形成有促進作用[5]。

圖3 不同負荷下加氫能量比對0～10%燃燒持續(xù)期的影響

2.2.2加氫對10%～90%燃燒持續(xù)期的影響

發(fā)動機缸內燃燒過程中10%～90%燃燒持續(xù)期是缸內燃燒過程的主要階段，也是表現(xiàn)缸內燃燒速率的一個主要參數(shù)，由圖4可以看出，隨著加氫能量比的增加，10%～90%燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)減小的趨勢，在小負荷時十分明顯。這是由于天然氣與氫氣的混合燃料的預混層流火焰外圍是一種規(guī)則球形火焰，而隨著混合氣中氫氣含量提高，火焰形態(tài)更加規(guī)則并且火花塞處混合氣較濃，這更利于火焰中心的形成[6]。已知更容易形成火焰中心就意味著從火花塞點火到混合氣形成火焰中心的時間間隔變短，即縮短了火焰發(fā)展時期，由氫氣的性質可以知道，氫氣具有較高的火焰?zhèn)鞑ニ俾?，所以氫氣的加入，可以加快天然氣和氫氣混合氣火焰半徑的擴大，從而提高其拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾?。但是加氫比的增加也會導致定容燃燒彈中湍流強度降低，從而阻礙火焰?zhèn)鞑7]。但是研究得知加氫對火焰?zhèn)鞑ミ^程的促進作用大于阻礙作用，所以天然氣發(fā)動機加氫能夠在一定程度上縮短10%～90%燃燒持續(xù)期。

對比圖4(a)和圖4(b)兩張圖可以發(fā)現(xiàn)，在中高負荷時，加氫對天然氣發(fā)動機10%～90%燃燒持續(xù)期的影響沒有低負荷時明顯，已知發(fā)動機負荷的提高對于燃燒火焰中心的形成也有促進作用，這就導致加氫對10%～90%燃燒持續(xù)期的影響越來越弱。

圖4 不同負荷下加氫能量比對10%～90%燃燒持續(xù)期的影響

2.2.3加氫對50%燃燒點位置的影響

50%燃燒點位置也稱燃燒重心，對發(fā)動機燃燒過程中的熱能與動能的轉換有著較大的影響。發(fā)動機50%燃燒點位置越接近壓縮上止點，燃燒就越接近于等容燃燒，有效膨脹比也越大，從而提高了燃燒熱效率以及平均有效壓力。但是也意味著燃燒在壓縮行程會消耗更多的能量，從而降低熱效率，因此，50%燃燒點的位置一定要適當，這樣才能保障發(fā)動機具有良好的動力性和經(jīng)濟性。

從圖5中可以看出，隨著混合氣中氫氣含量提高，燃燒重心在逐漸靠近壓縮上止點，在2 bar小負荷時尤為明顯，這是由于加氫可以加快火核的形成以及火焰?zhèn)鞑ニ俾?，因而導致?0%燃燒點的提前，而對比圖5(b)中發(fā)動機在6 bar中高負荷下試驗，50%燃燒點的位置也隨著加氫能量比的增加而逐漸減小，但這種影響相對于低負荷而言是十分微弱的，這是相較于2 bar而言，6 bar時發(fā)動機缸內的燃燒溫度和壓力本來就比較大，天然氣和氫氣的混合氣燃燒速率已經(jīng)十分迅速了，加氫對天然氣發(fā)動機燃燒速率的提高變得十分有限。

圖5 不同負荷下加氫能量比對50%燃燒點位置的影響

2.3 加氫對最高燃燒溫度的影響

從圖6中可以看出，缸內最高燃燒溫度隨加氫能量比的增加而呈升高的趨勢，這種趨勢在 2 bar低負荷時十分明顯，由前文可以知道，氫氣的加入可以提高天然氣和氫氣混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俾?，從而減小傳熱損失對缸內溫度的抑制作用，并且氫氣的熱值比天然氣高，所以氫氣的加入會使燃料燃燒過程中釋放更多的熱量，缸內最高溫度自然也會隨著加氫能量比的提高而提高。而對比圖6(a)和圖6(b)可以看出，在6 bar中高負荷時，雖然加氫也能夠提高天然氣發(fā)動機缸內最高溫度，但是相較于2 bar低負荷而言，加氫對缸內最高溫度的影響在逐漸減小，這是由于發(fā)動機處于中高負荷時，缸內初始溫度和初始壓力較高，由前文可知，較高的初始溫度和初始壓力會提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，但也會增加燃燒的不穩(wěn)定性，不利于火焰的傳播，因此，在中高負荷時，加氫對缸內最高溫度的影響會相對減弱。

圖6 不同負荷下加氫能量比對最高燃燒溫度的影響

2.4 加氫對最高爆發(fā)壓力的影響

發(fā)動機缸內最高爆發(fā)壓力是發(fā)動機正常運轉過程中，一個循環(huán)中缸內燃燒所能達到的最大壓力，通常用作發(fā)動機動力性的指標。

同50%燃燒點位置影響發(fā)動機中熱和功的轉換一樣，缸內最高爆發(fā)壓力所對應的曲軸轉角對發(fā)動機中的熱功轉換過程有重大影響，越靠近上止點，燃燒時等容度也比較高，這樣缸內的壓力升高率就會升高，缸內最高爆發(fā)壓力也會隨之增加，同時燃燒過程比較接近上止點，也意味著燃燒開始得更早，這樣就會導致壓縮負功增加，熱效率降低。如果缸內最高爆發(fā)壓力所對應曲軸轉角越大，表示燃燒等容度不行，有效膨脹比也會減小，傳熱損失也會隨之增加[8]。

由圖7可以看出，在BMEP為2 bar小負荷時，最高爆發(fā)壓力隨著加氫能量比的增加而升高，而其對應的曲軸轉角隨著加氫能量比的增加而減小，這就表明氫氣的加入可以提高天然氣發(fā)動機的最高爆發(fā)壓力，并使最高爆發(fā)壓力到來的更加迅速。其原因還是在于氫氣的熱值比天然氣高，燃燒同等質量的氫氣釋放的能量比天然氣多，所以加入氫氣的量越多，天然氣和氫氣混合氣就會釋放越多的能量，所以就導致最高爆發(fā)壓力隨著加氫能量比的提高而升高，同時氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俾时忍烊粴饪?，所以較快的燃燒速率使混合氣的燃燒能夠更快到最高爆發(fā)壓力，其意味著燃燒過程中可燃混合氣和氣缸內部的傳熱損失也會因此減小，能量利用效率提高，這樣也提高了燃燒的最高爆發(fā)壓力。

圖7 1 400 r/min BMEP=2 bar時加氫能量比對最高爆發(fā)壓力及其對應曲軸轉角的影響

對比BMEP為2 bar和BMEP為6 bar的兩張圖（圖8）可以發(fā)現(xiàn)，在BMEP為6 bar的中高負荷時，最高爆發(fā)壓力也會隨著加氫能量比的增加而升高，其對應的曲軸轉角也會隨著加氫能量比的增加而減小，但是相比BMEP為2 bar小負荷而言，加氫對最高爆發(fā)壓力及其對應的曲軸轉角的影響又減弱了，其具體原因跟上文一樣，負荷的提高也會促進缸內溫度和壓力的提升，進而會削減混合氣中氫氣能量對于最高爆發(fā)壓力的影響。

圖8 1 400 r/min BMEP=6 bar時加氫能量比對最高爆發(fā)壓力及其對應曲軸轉角的影響

3 結束語

本文通過一臺天然氣發(fā)動機進行加氫設備改造，研究了不同工況下加氫能量比對天然氣發(fā)動機缸內燃燒過程的影響，研究結果如下：

1）對于天然氣發(fā)動機，加氫可以加快混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俾?，縮短燃燒持續(xù)期，并明顯提前50%燃燒點位置，隨著負荷的提高，加氫對燃燒速率的促進作用逐漸減弱；

2）加氫可以提高最高爆發(fā)壓力和壓力升高率并使其對應曲軸轉角位置提前。隨著負荷的提高，加氫的這種作用逐漸減弱。

本文的研究對于當前能源與環(huán)境時代背景下新型燃料的研發(fā)有著一定的參考意義。

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Experimental Analysis on the Influence of Hydrogen Blend on the Combustion of Natural Gas Engine

ZHOU Lei, LI Rong

( College of Automotive Engineering,Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan 430205, China )

Under the dual pressure of energy and environment, hydrogenation in natural gas engines is a good way to improve engine characteristics. In order to study the effect of hydrogenation ratio on the combustion and performance of natural gas engine, this paper will carry out hydrogenation equipment modification and bench test on a natural gas engine. The research results show that hydrogenation can accelerate the flame propagation speed of the mixture, shorten the duration of combustion in the cylinder, and significantly advance the combustion center of gravity, further increasing the maximum combustion temperature and maximum explosion pressure. But with the increase of engine load, this promotion effect is gradually weakened.

Natural gas engine; Hydrogenation ratio; Combustion performance; Bench test

TK437

A

1671-7988(2023)12-114-07

周磊（1995－），男，碩士，助教，研究方向為汽車工程，E-mail:1145713039@qq.com。

2023年湖北省中華職業(yè)教育社課題研究項目：職業(yè)院?！半p師型”教師隊伍培養(yǎng)培訓體系研究（HBZJ 2023514）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.022