压缩天然气发动机富氢成分对其性能、燃烧和排放特性的实验研究外文翻译资料

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压缩天然气发动机富氢成分对其性能、燃烧和排放特性的实验研究

Tadveer Singh Hora, Avinash Kumar Agarwal

发动机研究实验室，机械工程系，印度理工学院坎普尔，坎普尔208016，印度

强调

随着HCNG的BMEP提高，BTE，BSEC和BSFC有所提高。

HCNG的发动机性能特征（BSEC，BTE和EGT）有所改进。

P，RoPR，HRR和CHR改善HCNG混合物。

MBF10和燃烧持续时间缩短，HCNG的火焰速度增加。

随着氢气量的增加，发动机HC，CO和CO2减少，而NOx排放增加。

文章信息

文章历史：

2015年5月16日收到

2015年7月21日修改后收到

2015年7月22日接受2015年7月31日在线提供

摘要

石油储量的枯竭和现行严格的排放法规促使研究人员开发和引进替代车用燃料，目标是减少全球污染物排放量并减少汽油和柴油等传统燃料的消耗。在过去的几十年中，天然气已经成为被广泛接受并被用作车用替代燃料。然而，压缩天然气（CNG）的许多特性限制了其在高性能发动机中的应用。与汽油相比，CNG具有较低的扩散率，较低的稀燃极限，较高的点火能量要求，较高的平均指示有效压力（IMEP）变化系数（COV），较低的火焰速度和较高的火焰熄灭距离。通过向CNG中添加氢气可以有效改善这些性能。在对单缸原型压缩天然气掺氢发动机（HCNG）的实验研究中，进行了研究以探索不同组成的HCNG混合物对发动机性能，燃烧和排放特性的潜在影响。研究结果表明：与CNG相比，HCNG是一种优越的燃料，除了降低排放外，它还增加了动力输出和扭矩。氢气添加到CNG可提高有效热效率（BTE），减少有效燃料消耗率（BSFC）、有效能量消耗率（BSEC）并提高燃烧稳定性。诸如缸内压力，压力升高率（RoPR），热释放率（HRR）和燃烧持续时间等燃烧参数也得到改善。随着氢气添加到CNG，燃烧压力增加。与CNG相比，加氢提高了RoPR，HRR和CHR。碳氢化合物（HC），一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）等排放减少，而在给定的平均有效压力（BMEP）下，随着加氢量的增加，一氧化氮（NO）含量增加。 30％HCNG（30％（v / v）氢气和70％（v / v）天然气的混合物）在所测试的HCNG混合物中表现出最佳的性能和排放。

2015 Elsevier Ltd.保留所有权利

关键词：HCNG 性能 排放 燃烧 火焰传播速度 放热率

1介绍

美国能源信息管理局[1]预测三个大国即美国，中国和印度的化石燃料需求大幅上升。这与世界各地包括海湾在内的原油储量快速消耗形成鲜明对比，这种海湾需要大规模引进替代燃料以维持全球流动性。这些替代燃料必须取代传统的化石燃料，同时减少全球排放量。许多替代燃料已经出现，例如酒精和生物燃料，然而除了压缩天然气（CNG）之外，这些燃料都没有商业可行性。 CNG的主要成分是甲烷。 由于废气排放量较低且现有发动机易于适应，CNG已被广泛接受。 国际天然气汽车协会（IANGV）报告说，天然气车辆（NGV）的数量将增加，预计2020年之前将达到6,500万辆[2]，而2001年则只有170万辆。

无论CNG的商业优势如何，由于其独特的物理、化学和燃烧性质如较高的淬火距离，较窄的可燃性范围，较高的点火能量，较低的热值和较低的燃烧速度而具有某些缺点。这些性能可以通过添加氢来改善。CNG和氢的混合物被称为掺氢压缩天然气（HCNG）。由于其性能得到改善，HCNG可以提供氢气和CNG的优势。 HCNG的使用也为氢气在发动机中的应用铺平了道路，这对目前的基础设施而言具有挑战性，也不安全。在CNG中添加氢气可减少其淬火距离并降低总的碳/氢比（C / H），从而使燃料更加完全燃烧，降低HC和CO排放。掺氢还扩大了CNG的燃烧极限，并改善了稀燃，从而减少氮氧化物（NOx）排放。氢气加入到CNG导致OH^-和H 自由基的快速形成，通过提高反应速率来提高CNG的燃烧速度。考虑到掺氢有这么多好处，这项研究侧重于量化HCNG对CNG的改善。在这项研究中，一台单缸发动机（Kirloskar; DM10）经过适当的修改，可以用作进气管燃料喷射式HCNG发动机。本文针对随负荷不同而变化HCNG组成，分析发动机性能，燃烧和排放特征。

HCNG作为潜在的发动机燃料的应用是1989年由Hydrogen Components Incorporation（HCI）概念得来的。在最初的研究中，研究人员改动了传统发动机以使用气体燃料，随后又对各种单缸和多缸发动机进行了科学研究[3,4]。目前已经使用直接喷射，进气道喷射和节气门燃料喷射技术来研究HCNG。而且也广泛研究了各种参数对HCNG发动机性能的影响，例如点火正时，喷射正时，压缩比，过量空气系数等。对于HCNG，有大量研究针对涡轮增压[5,6]，废气再循环（EGR）[7]和使用合作燃料研究（CFR）技术可变压缩比的发动机[8]。Nanthagopal等人[9]探索了HCNG作为液体柴油和汽油的替代燃料的应用，其目标是尽量减少排放并减缓碳氢燃料资源的消耗。他们表示，HCNG发动机有可能符合欧洲V标准。 Akansu等人[10]认为，HCNG是一种基于环境，经济和技术标准的可持续燃料。他们得出结论认为，加入甲烷后，发动机效率得到提高，排放达到超低排放车辆（ULEV）水平，而增加的NOx由三元催化转化器控制。然而，由于氢的运输和储存基础设施成本高昂，他们也表示出了与生产和运营成本提高有关的担忧。 Thipse等人，Patil等人，Helmut等人和Midun等 [11-14]列举了CNG和HCNG发动机运行所需的各种改动。 Patil等人[12]显示，与基准CNG相比，5％HCNG在功率，扭矩和BSFC方面的功率，扭矩和BSFC分别提高3-4％，2-3％和4％，此外，氮氧化物减少20-30％，减少40-50％在一氧化碳和45％减少NMHC排放。 Kavathekar等人[15]应用计算建模和实验方法开发6缸HCNG发动机，并试图遵守欧盟IV排放法规。 HCNG中超过临界极限的氢气含量增加导致常规SI发动机爆震。Flekiewicz等人[3]发现爆震是发生在掺氢比例在40％以上的时候。 Helmut等人[13]报道，由于使用更加稀薄的空燃比（AFR）混合气，发动机功率输出和扭矩降低了100％氢气，因为更富有的AFR引起了逆火，HCNG改善了这一点。我们并没有发现涡轮增压对于氢气发动机是有效的，因为由于更精细的燃烧而使废气能量更低，但是发现它对HCNG有效。

Ma等人[16]研究了涡轮增压发动机中指示热效率（ITE）随着点火正时的变化。在他们的研究中，添加氢改善了ITE，并且通过延迟点火正时（即接近上死点（TDC））获得了最高ITE，用于较高HCNG混合物。他们表示，随着氢气体积百分比的增加，点火正时不得不延迟，以获得最佳的发动机性能和更低的排放。他们得出结论，燃烧持续时间缩短1°CA，氢分数每增加10％（v / v），燃烧持续时间减少。在另一项研究中，Ma等人[17]比较了在线混合系统和预瓶装混合物的结果。预瓶装混合物使用道尔顿分压定律制备。他们发现两种方法的结果都很接近。Ceper等人[18]对不同的过量空气系数和不同的氢气分数下缸内压力的变化进行了实验。他们表示，随着加氢的增加，峰值压力增加，并且峰值向TDC移动，当在上死点（ATDC）后10-15°CA处出现峰值压力时观察到最高效率。他们报道了随着空气过剩比例增加而HC下降的趋势，而CO2变化与空气过剩比率先增加后逐渐减小。由于总体C / H比率的降低，加氢会减少CO2的形成。 Xu等人[19]在单缸发动机进气管喷射发动机上进行了实验，并报告了氢气 - 甲烷混合物几乎相似的缸内压力趋势但相对较高的热释放率（HRR）。随着HCNG中氢含量的增加，峰值压力位置和HRR曲线峰值向TDC移动。随着过量空气系数的增加，CO减少，而随着过量空气系数增加，CO2增加到1.2，然后减少。另一方面，HC排放量降至最低，然后随着过量空气系数的增加而增加。由于较高的燃烧温度和相对较低的HCNG混合物的C / H比率，与CNG相比，加入氢气会降低CO2和HC排放。Moreno等人[20]在较高发动机转速（2500至4500 rpm）的火花点火（SI）发动机中进行实验，并将实验结果与标准汽油进行比较。在他们的研究中，氢分数为0-50％的压力曲线峰值以相同的当量比向TDC偏移。峰值压力和压力升高率（RoPR）随着3250rpm时氢气分数的增加而增加。另外，由于较高的燃烧速度，随着每个转速的氢气百分比增加，火焰形成持续时间和快速燃烧持续时间减少。

Bauer和Forest分别在颗粒物（PM），氮氧化物，非甲烷碳氢化合物（NMHC），碳氢化合物和二氧化碳分别减少了90％，50％，58％，23％和7％。他们的研究还表明，NOx可以通过用空气稀释进一步降低，即用稀薄的发动机操作或EGR稀释和延迟的点火正时。Park等人[21]报道，30％（v / v）HCNG的点火正时延迟可减少80％的NOx排放。马等人[22]报告，优化的HCNG发动机相对于标准CNG发动机分别减少了70％，83.57％，93％和5％的甲烷（CH4），CO，NOx和BSFC。 Khatri等人[4]在怠速和变化的负载条件下在底盘测功机上测试了带有四缸发动机的车辆。据报道，与标准汽油中的198ppm CO和67ppm HC相比，CO大幅降低至15ppm，HC至25ppm和CO2降低31.74％。Ma等人[23]报道随着HCNG混合气中氢气分数的增加，NOx排放量增加。据研究表明，在约1.2的过量空气系数下，25％（v / v）的HCNG排放了3000ppm的NOx，然而在稀燃时（lambda;= 1.8-2.0），NOx显著降低到低于500ppm。对于稍微过稀的混合物有非常低的HC排放，因为在这些条件下，存在更高的燃烧温度和足够的氧气。Ma等人[16]指出，随着过量空气系数增加，CO在稀薄条件下由于较差的燃烧而减少到最小值。 Huang等人[24]在3缸SI CNG发动机上进行了2000转/分钟的实验，显示10％的HCNG与CNG相比在NOx方面表现出很小的变化，而对于较高的HCNG混合物，由于更高的燃烧温度，NOx浓度增加。由于最有利的温度和氧气条件，在空燃比（lambda;）为1.1时观察到最大NOx排放量。 Wang等人[25]观察到NOx和HC之间的折中，即它们遵循相反的趋势。这是由于更高的燃烧温度，这促进了NOx的形成同时有利于HC的氧化。较低的淬火间隙减少了缝隙体积中的HC形成。

大多数研究论文包括HCNG研究，其中包括过量空气系数，当量比，发动机转速，氢含量，点火正时和喷射正时的变化，而较少的研究说明发动机负荷（BMEP）的变化。此外，一些作者宣称具体的HCNG组成更适合发动机性能和排放。 因此，目前的研究主要集中在发动机负荷（BMEP）变化对发动机性能，燃烧和排放的影响，在单缸发动机中使用不同的HCNG成分，以确定最佳的HCNG成分。

2.实验设置

测试单元由与交流（AC）测功机耦合的单缸发动机组成。实验在恒定的发动机转速（1500rpm）、变化的发动机负荷下进行，其中在进气冲程的上止点和上止点之前20°的点火正时（BTDC）之间固定开始喷射正时（SOI）时HCNG比例也在变化。发动机转速和负载由交流测功机控制。 HCNG的量由定制的电子螺线管喷油器控制电路控制，该电路控制电磁阀喷油器（Bosch; 280150842）。 在所有操作条件下，喷射器以恒定的喷射压力（4bar）供应气体。图1显示了带有子组件的实验装置的示意图，表1显示了测试引擎的规格。科里奥利质量流量计（Emersion; CMF010M）可以用来测量每个操作条件下的燃料流量。吸气管线连接到层流元件（Cussons; P7205 / 150）。

图1.实验装置示意图

表1.试验机规格参数

发动机曲轴连接到一个精密轴编码器（印度编码器; ENC 58 / 6-720ABZ），它在每旋转时0.5°CA产生一个信号。压电式压力传感器（Kistler; 6631CQ09-01）用来测量缸内燃烧压力。表2显示了该实验中使用的仪器的

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