天然氣發(fā)動機摻氫燃燒的探討

魏觀林

廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，中國·廣東 惠州 516363

1 引言

汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展不但加速了能源消耗，也為生態(tài)環(huán)境帶來了不良影響。因此，天然氣這種綠色能源的開發(fā)與利于，愈來愈受到人們關(guān)注，天然氣燃燒時熱量利用率高，是一種高熱值能源[1]。除此之外，天燃氣碳含量低，汽車使用天然氣能源能夠有效降低碳排放量。天然氣發(fā)動機與柴油發(fā)動機對比，使用天然氣發(fā)動機煙塵顆粒的排放量幾乎為零，與此同時氮氧化合物、碳氧化合物以及碳氫化合物的排放量也明顯降低。而氫氣作為能源，點燃后廢氣排放僅有氮氧化合物，并且氫非常容易再造，是最理想的清潔能源。

2 實驗臺架系統(tǒng)構(gòu)成

試驗發(fā)動機采用以濰坊發(fā)動機廠生產(chǎn)的WT615 型發(fā)動機為實驗機型，對進氣道展開了更新改造，取消燃油噴射系統(tǒng)軟件，裝上點火系統(tǒng)軟件。燃料提供系統(tǒng)軟件按分壓電路規(guī)律性在高壓缸內(nèi)預(yù)混，采用進氣口噴射方法。

為了解決發(fā)動機更新改造環(huán)節(jié)中，因為應(yīng)用燃料造成充氣效率降低和稀薄燃燒情況下，所導(dǎo)致的驅(qū)動力性能降低的問題，在進氣道中增強了渦輪增壓，在渦輪增壓的基礎(chǔ)上，安裝了增加空氣中的降溫系統(tǒng)，提升了充氣效率，減少了點燃前期汽缸里的平均氣溫。除此之外，將電子節(jié)氣門安裝在進氣管之上，發(fā)動機通過負載控制方式從原來的發(fā)動機“變質(zhì)調(diào)整”改成“可變性調(diào)整”，以便于更精確的調(diào)節(jié)空燃比，采用電機控制多點次序噴射系統(tǒng)，精確掌握不同汽缸內(nèi)供氣量和噴射起始點[2]。高能點火自動控制系統(tǒng)是為保證HCNG發(fā)動機具備充足的點火動能和可信賴的點火性性能而為其量身定做的點火控制系統(tǒng)。

電控系統(tǒng)ECU 由實驗室自行開發(fā)和標定，能夠?qū)c火提前角和噴射脈寬進行在線修改和標定[3]。此次實驗所產(chǎn)用的燃料為北京市昌平中化道達爾加氣站的天燃氣，甲烷氣體容積大約為87.97%，發(fā)熱量大約為42 MJ/m3。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 動力性分析

實驗選用CB-466 多路汽車發(fā)動機檢測儀精確測量缸內(nèi)壓力。圖1可以清晰展現(xiàn)出純天然氣和摻氫天然氣（氫氣容積20%）的實驗結(jié)果，實驗均保證汽車轉(zhuǎn)速為1400 r/min、節(jié)氣門開度為20%，由此對比最大的壓力和曲軸轉(zhuǎn)角。從圖1能夠明確得知，汽車發(fā)動機點燃天然氣摻氫燃料時，最大爆發(fā)壓力遠高于僅采用純天然氣燃料，天然氣摻氫燃料與天然氣對比，最大壓力提升近20%，最大壓力點相對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前了3 °CA。試驗結(jié)果顯示，氫氣容積發(fā)熱量比較低，天然氣燃料添加氫氣降低了充氣效率，但在添加一定量氫氣后依然能顯著加速缸內(nèi)燃燒的傳播速率和燃燒速度，減少點燃期壓力，促進壓力曲線圖在最高處前行，改進發(fā)動機功率性能。

圖1 發(fā)動機示功對比圖

如圖2所示，天然氣和氫氣（氫氣容積20%）在1400 r/min 的不一樣負荷情況下的較大壓力pmx 和最大壓力增加率（dP）max 的曲線。從下圖可以清晰得知，天氣熱摻氫發(fā)動機滿負荷范圍內(nèi)壓力比天然氣發(fā)動機高，小負荷中的較大壓力上升幅度貼近天然氣，但大負荷時差距較大，不一樣負荷下氫氣的體積比為20%，而負荷與氫氣的絕對數(shù)量成正比，當(dāng)負荷降低時絕對數(shù)量也相應(yīng)降低，此時改進水平不明顯；反之負荷提高時，氫氣的絕對數(shù)量隨之提升，充分顯示了摻氫燃料加快和提升缸內(nèi)燃燒現(xiàn)象的功效，提升了發(fā)動機動力性能。

圖2 發(fā)動機最大壓力升高率對比

3.2 排放性能對比分析

在汽車轉(zhuǎn)速為1400 r/min 的不同負載環(huán)境下，燃氣發(fā)動機使用天然氣摻氫燃料和天然氣燃料的排放對比。

3.2.1 一氧化碳

圖3表明了一氧化碳排放量的對比情況。由圖3可知，摻氫天然氣在燃燒后，在50～110 kW 范圍內(nèi)，一氧化碳排放量明顯下降，最高降幅可達50%。但是120～140 kW 范圍內(nèi)，摻氫天然氣與天然氣一氧化碳排放量相仿。導(dǎo)致排放量不同的主要原因是，在小功率范圍內(nèi)，摻氫天然氣缸體部分溫度依然比較低，導(dǎo)致局部燃燒不完整生成一氧化碳；在長時間大功率氛圍內(nèi)下，摻氫天然氣裂化后缸體燃燒溫度逐步提高高，使得部分燃燒產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳發(fā)生分解反應(yīng)生成一氧化碳；與此同時，缸體的壓力提升將更多沒有完全燃燒的物質(zhì)送入空隙，使一氧化碳排放量略微提升。一般來說，摻氫天氣的的燃燒傳播速率更快，能夠有效減少總?cè)紵芷?，推動一氧化碳再次被氧化，但氫氣自身不含碳量也是一氧化碳排放量下降的主要原因之一?/p>

圖3 一氧化碳排放對比圖

3.2.2 二氧化碳

圖4展示了二氧化碳排放對比。根據(jù)摻氫天然氣與天然氣二氧化碳排放對比圖可知，摻氫天然氣燃燒后二氧化碳排放量明顯降低，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的根本原因是天然氣中加入的氫氣燃燒也不會額外造成二氧化碳的生產(chǎn)，因此，在實驗0～140 kW 范圍之內(nèi)二氧化碳的排放量都呈下降趨勢。

圖4 二氧化碳排放對比圖

3.2.3 碳氫化合物

圖5展現(xiàn)了碳氫化合物排放量的對比曲線。由圖可知，碳氫化合物的排放量明顯下降，最大降幅可達32.4%，導(dǎo)致這一現(xiàn)象，發(fā)生的主要原因是摻氫天燃氣會加速預(yù)混火苗的快速傳播，減少燃燒延續(xù)時間，碳氫化合物會有更多時間開展氧化還原反應(yīng)；摻氫天然氣經(jīng)過裂化反應(yīng)后缸體溫度上升，推動了碳氫化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)；摻氫天然氣是火焰熄滅趨向降低，熄滅間距相對應(yīng)降低，空隙內(nèi)一部分碳氫化合物被空氣氧化；即便氫氣自身燃燒也不會造成碳氫化合物，那也是碳氫化合物排放量降低的原因之一。

圖5 碳氫化合物排放對比圖

3.2.4 氮氧化合物

圖6展現(xiàn)了氮氧化合物排放的對比曲線。摻氫天然氣燃燒時，氮氧化合物排放量高于純天燃氣燃燒，尤其是負載較大時，最高提升量為25%。主要是因為摻氫天氣燃燒反應(yīng)速率使化合物的燃燒溫度升高，達到氮氧化合物排放標準，增強了氮氧化合物排放量。

圖6 氮氧化合物排放對比圖

3.3 發(fā)動機排氣溫度比較

在摻氫天然氣與天然氣兩種燃料排氣管溫度均值的對比之下，可以得知，天然氣摻氫后，補燃溫度降低，其根本原因是氫氣使得燃燒速度更快，摻氫天然氣的燃燒速度更快，補燃比例和排氣管溫度均降低。由此可知，添加一定量的氫氣能夠有效緩解天然氣發(fā)動機的燃燒狀況，減少汽車發(fā)動機自動排氣閥和增壓機里的耗熱量。

4 過量空氣系數(shù)的影響

本次關(guān)于摻氫天氣燃氣的探討發(fā)現(xiàn)天然氣摻氫發(fā)動機空氣系數(shù)由136 提升至1.73，這一現(xiàn)象會導(dǎo)致發(fā)動機加速性能和排放特性受到影響。實驗中汽車發(fā)動機節(jié)氣門開度不變，根據(jù)調(diào)整噴涌脈寬來調(diào)節(jié)空氣系數(shù)的改變。

通過測量天然氣摻氫發(fā)動機在1400 r/min 的部分負載下，發(fā)動機性能伴隨著空氣系數(shù)的提高而改變。通過實驗驗證得知，在1.366～1.732 的燃燒范圍之內(nèi)，當(dāng)過量空氣系數(shù)超出1.44 時，轉(zhuǎn)距和輸出功率降低幅度較大，最高降低比為21%。當(dāng)輸出功率為48.16 kW、扭距為329 N.m 時，過量空氣系數(shù)為1.73 的純?nèi)細獍l(fā)動機測出的信息對比，功率和扭矩值基本一致，但汽車發(fā)動機能平穩(wěn)輸出功率，其較稀燃燒極限值顯著提升。如果天然氣過來空氣系數(shù)超出1.5 時，汽車發(fā)動機將不能穩(wěn)定的工作，氮氧化合物排放量大幅降低，最高降低與原排放量之比為1 ∶9，二氧化碳排放量也緩慢降低。但是，在過濾空氣系數(shù)為1.366～1.732 的燃燒范圍之內(nèi)，一氧化碳和碳氫化合物也處于較稀燃燒情況，因此排放量會發(fā)生局部范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變。碳氫化合物整體呈逐步上漲趨勢，當(dāng)空氣系數(shù)為1.4 時排放最少，當(dāng)空氣系數(shù)為1.55 時排放量最大。因此，在經(jīng)過天然氣摻氫后會大幅度改進發(fā)動機的稀燃特性、擴張稀燃極限，與此同時達到大幅降低氮氧化合物的排放效果。

5 結(jié)語

①發(fā)動機燃燒摻氫能源時，缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃铀伲敵龉β试龃?，缸?nèi)溫度升高。

②發(fā)動機燃燒摻氫能源時，碳氫化合物、碳氧化合物的排出量會降低，但氮氧化合物排出量也增加，尤其是在發(fā)動機負荷量較大的情況下。

③發(fā)動機燃燒用摻氫后，燃燒重點往前移動，排氣管溫度下降。

④當(dāng)HCNG 發(fā)動機在過量空氣系數(shù)提升超出一定值后，輸出功率下降，氮氧化合物排放量大幅度下降，但碳氫化合物排放量略微提升。