英语原文共 15 页
燃料组分对天然气发动机燃烧和排放特性的影响
Amir-Hasan Kakaee, Amin Paykani, Mostafa Ghajar
（伊朗科学技术大学，汽车工程学院，德黑兰，伊朗）
摘要：随着全球能源需求的增加，天然气（NG）在能源供应中发挥着越来越重要的战略作用。天然气是最清洁的化石燃料，已经被广泛研究并用于火花点火式（SI）和压燃式（CI）发动机。本文综述了关于天然气组分对天然气发动机（ICEs）燃烧和排放特性影响的研究，并回顾了该领域研究人员取得的巨大成果。据研究，天然气的不同组分对发动机性能和排放有很大影响。其中最重要的天然气燃料特性是韦伯常数（WN）。研究人员一致认为，通常情况下，具有更多碳氢化合物，更高韦伯常数和更高能量含量的燃料具有更好地燃料经济性和二氧化碳（CO2）排放。当气体拥有更高的韦伯常数水平时，其氮氧化物（NOx）排放也随之增加，而总碳氢（THCs）、一氧化碳（CO）则呈现出一些减少的趋势。在另一方面，颗粒物（PM）排放并没有因燃料改变而受到影响。此外，添加少量高分子烷烃，如乙烷和丙烷，可以显著改善天然气发动机的点火性能。所提供的结果为研究人员开展未来天然气内燃机的研究提供了很好的参考意见。
关键词：天然气组分；性能；排放；韦伯常数；SI发动机；CI发动机
目录
1.简介.....................................................................................................................................64
2.天然气组分.....................................................................................................................66
3.天然气组分对天然气发动机的影响................................................................67
1.1天然气组分对SI发动机的影响.....................................................................67
1.2天然气组分对CI、双燃料和HCCI发动机的影响............................69
4.总结和结论....................................................................................................................76
参考文献..................................................................................................................................77
- 简介
近年来，原油短缺、化石燃料价格上涨以及环境法规的收紧导致了内燃机替代燃料应用的发展。天然气是其中的一种替代燃料，它在世界上许多地方拥有大量存量，并且价格实惠。预计2001年至2025年天然气消耗量将增加一倍，其中发展中国家预计增长需求最为强劲[1]。如图1所示，在过去三十年中，天然气在能源市场中的份额逐年增加[2]。天然气是用于汽车发动机的传统液体燃料（即汽油和柴油）的潜在替代品[3-7]。天然气是各种烃分子的混合物。商用天然气组分中甲烷含量为85%到96%。天然气中还含有一些高分子碳氢化合物，如乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10），以及一些较为惰性的气体，如氮气（N2）和二氧化碳（CO2）。天然气中也含有硫化物和其他碳氢化合物。地理来源、一年中的时间和生产运输过程中的处理都会对这些参数造成很大影响[8-12]。天然气的典型组成百分比如图2所示。因此，天然气并不代表单一类型的燃料或小范围的特征。
与传统液体燃料如柴油或汽油相比，天然气是一种清洁燃烧的燃料。它具有高辛烷值，因此适用于压缩比较高的发动机。它具有高自燃温度，因此需要较强能量源以实现燃烧，即通过电热塞，火花塞或先导液体燃料。它可以与空气迅速混合，形成均匀的空气燃料混合气，在发动机气缸内部有效燃烧，大幅度减少有害气体排放[13,14]。关于在SI和CI发动机中利用天然气的课题已经进行了一系列的研究工作。天然气与柴油发动机排放相比，天然气燃料SI发动机的总碳氢化合物（THC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放显著低于柴油发动机。此外，另一项研究表明，与汽油发动机排放相比，天然气SI发动机可以实现一氧化碳（CO）、二氧化碳、氮氧化物和非甲烷碳氢化合物的减少[5,15-18]。压缩天然气（CNG）汽车的数量不断增加，同时旧车也在通过发动机改装转换成CNG车辆。在全球范围内，天然气为全球约1520万辆汽车提供动力。通过CNG运行的天然气汽车（NGV）适用于在特定区域内运行的高里程、集中燃料供给车[19]。表1列出了天然气、汽油和柴油的燃料特性[20]。天然气的典型燃烧特性见表2[21]。
由于天然气的组分不同会影响车辆的动力性和排放特性，研究天然气组分对天然气燃料发动机性能和排放特性的影响成为发动机研究员最重要的研究方向之一。燃料组分对天然气发动机燃烧过程和排放的影响已在基础研究和应用研究中得到解决。主要的研究都集中在稀燃火花式点火发动机上，这是目前天然气发动机的主要形式。本文讨论了关于天然气组分对CNG发动机影响的研究工作，并回顾了研究过程中取得的大部分成果，以使其更为世人所知，并确定未来研究的挑战和机遇。
- 天然气组分
如前所述，天然气不是均匀混合气，它的组分各不相同，并且很大程度上取决于生产区域、季节和气候。因此，它的热力学特性取决于他的组成成分。为了获得其热力学性质，还必须考虑各气体组分的影响。表3展示了从伊朗各地区提取的天然气的摩尔分数。差异源于开采区域的不同，并且会因运输前的处理而放大。此外，在管道传输过程中会发生不同气体的混合[22,23]。
燃气发动机的性能和排放取决于良好的点火、最佳燃烧速率、高抗爆震性和燃料混合物足够的能量含量。当使用天然气作为燃料时，一些燃料特性，例如密度、热值、化学计量空燃比和抗爆性对于发动机性能非常重要。目前对天然气汽车的研究发现，不同的天然气组分对发动机的性能和排放有很大影响。同时发现在天然气作为主要燃料时，未燃碳氢化合物和其他排放颗粒的热值、效率和浓度很大程度上取决于天然气供应来源[24,25]。Ly[26]还提到，由于发动机爆震数量的增加，这种现象在具有大压缩比的重型发动机中更加显著。
影响排放并直接描绘天然气一般特征的主要因素是甲烷值和韦伯常数（WN）或韦伯指数（WI）。甲烷值（MN）是一个很好的衡量标准，因为它是天然气中的主要成分。另外，天然气的抗爆性能可以用甲烷值来表示。纯甲烷的甲烷值为100，而纯氢的甲烷值为0。混合物的甲烷值定义为甲烷-氢气混合物中甲烷的百分比。这类似于标度汽油的辛烷值。辛烷值并不适合用于天然气的标度，因为辛烷值最高只有120，而甲烷的辛烷值超过120。由于各种不同组分天然气的甲烷数可能有很大差异，一些发动机可能会存在一些敲缸问题[27]。燃料甲烷数的测定在规定的发动机试验下进行。在测试期间，发动机压缩比逐渐增加直到检测到爆震。然后使甲烷和氢气的混合物进入发动机。将和被测燃料在相同压缩比下产生爆震的混合气作为该燃料的甲烷等级。但执行这项测试所需的时间和成本使得这种方法并不实际可行。两种用于确定气体甲烷值组分的替代方法为加利福尼亚空气资源委员会（CARB）方法和李斯特内燃机及测试设备公司（AVL）方法。AVL方法使用专有程序来计算甲烷值，而CARB方法使用以下方程[28,29]：
MON=406.14 508.04(H/C)-173.55(H/C)2 20.17(H/C)3
MN=1.624times;MON-119.1
韦伯常数是在给定入口条件下通过固定孔口的燃料能量流量的量度。它以热值除以比重平方根的比率来计算。对于车辆燃气计量系统，韦伯常数的变化将使空燃比产生类似变化。一般来说，韦伯常数是一个很好的衡量标准，因为它于内燃机使用不同气体燃料后的性能很好地相关。它同时照顾到了多种气体组分，因为它是一种整体性质[25]。
韦伯指数和燃烧势（CP）的值可按式（3）和（4）计算，其中CP是能够基于氢的燃烧速度指示混合气体理论燃烧速度的值。
或
k是由燃料中的O2浓度调节的校正因子。在式（3）和（4）中，LHV和SG分别表示气体的低热值和比重[30]。
3.天然气组分对天然气发动机的影响
目前，全球已有超过1700万台天然气汽车和约20000个天然气站，天然气汽车国际协会（IANGV）预计到2020年这一数字将增加到5000万辆，年增长率为3.7%。天然气是第二大替代燃料（仅次于LPG）。随着从2001年到2011年25%的年增长率，天然气的运输和使用在既有市场和新兴市场都在增加。截至2012年底，伊朗拥有世界上最大的天然气汽车保有量，数量为330万辆[14,31]。
天然气汽车可以用天然气作为单一燃料来源，也可以采用双燃料，可以使用天然气或汽油，天然气或柴油。由于大多数天然气发动机都是火花点火式，通常双燃料组合为天然气和汽油。天然气发动机技术在发动机气缸中燃料点燃方法、空燃比、压缩比和由此产生的性能和排放能力上各不相同。各种类型的天然气发动机技术已经被开发，包括化学计量比火花点火技术、稀薄燃烧火花点火技术、压燃式双燃料技术（通过柴油进行引燃点火）和均质充量压燃（HCCI）发动机[32-35]。有关天然气燃料火花点火和压燃式发动机的详细信息，请参阅参考资料[11]。
Khalil和Karim[36]研究了天然气组分变化对发动机点火和燃烧过程的影响，其研究重点为可能存在于燃料中的浓度相对较小的高摩尔质量烷烃的变化。他们发现，低浓度的正庚烷与甲烷的存在可以使天然气在自燃和燃烧特性方面产生非常大的变化。图3显示了不同天然气的活跃度的相对变化。可以明显看出，天然气的组分波动会产生不同活跃度水平，并导致自燃。标记为9号的组分反应最快，而4号的反应最慢。这些燃料混合物相对活跃度的比较表明，尽管甲烷的相对浓度仅变化了2%，这些燃料混合物的活跃度变化却非常显著，这是因为其他组分浓度的变化，如高分子碳氢化合物，起到了重要的影响作用。
根据文献综述，所有关于天然气组分对天然气发动机影响的研究都是在SI、CI、双燃料和HCCI发动机上进行的。
3.1.天然气组分对SI发动机的影响
最早关于SI发动机中天然气组分影响的研究应该追溯到20世纪80年代中期，当时天然气被用作汽油发动机的二次燃料。Elder等[37]在奥克兰大学进行了试验和理论研究，以确定不同燃料组分对车辆燃料消耗率、功率输出和污染物排放的影响。他们在新西兰国家标准5420：1980的城市循环中以50km/h和80km/h的稳定速度在多个发动机速度和功率条件下通过底盘测功机进行了试验。对于所使用的两种CNG燃料，它们的组分分别为81%的甲烷和2.5%的CO2、3.3%的N2以及73%的甲烷、12%的CO2和2.7%的N2，它们在车辆性能的许多方面存在显著差异。King[38]分析了天然气燃料组分对燃料计量和发动机运行特性的影响。他开发了一种燃料计量模型，用于分析燃料组分对化油器、预混和直喷式发动机配置的影响。研究发现燃料物理性质的变化对燃料计量特性具有深远的影响。他发现燃料组分对对不同的燃料计量配置有不同的影响，但与燃料性质的影响相比，它的影响较小。此外，他发现燃料组分也会影响混合气的稀薄燃烧极限，当伴随燃料计量比变化时，可能导致稀薄燃烧发动机失火。此外，燃料温度变化也会影响温度计量，必须被考虑。研究结果表明，闭环混合气控制对于化学计量发动机是必不可少的，并且对稀薄燃烧发动机也非常有益。
Thiagarajan等[39]研究了不同气体组分对SI发动机性能和排放的影响。通过添加丙烷（最多20%）或氮（最多15%）的体积来改变管道天然气的组分。他们发现只要保持化学计量燃烧，制动功率、燃料转换效率和催化前排放的CO、NOx和碳氢化合物不受丙烷添加的影响。此外，在化学计量条件下氮的添加显著地降低了催化前NOx排放并增加了催化前CO排放。
Matthews等[40]对休斯顿地区天然气汽车驾驶中的天然气组分进行了调查。结果发现德克萨斯州天然气的统计数据与之前的
资料编号：[4976]
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