英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
天然气HCCI发动机利用废气燃料重整运行试验研究
- Yap,S.M.Peucheret,A.Megaritislowast;,M.L.Wyszynski,H.Xu
摘要
天然气具有较高的自燃温度，需要高压缩比和/或加热进气充量以实现发动机均质充量压缩点火（HCCI）运行。本实验结果显示，重整气体中的氢气有助于降低HCCI稳定运行所需的进气温度。同时，加入氢气会促进气缸内的燃烧开始。这是由于压缩冲程期间自动点火所需的最低进气温度降低，导致相同进气温度下燃烧提前。本文记录了使用闭环废气燃料重整制氢的实验结果，当这种重整气体被引入发动机时，在发动机不同负荷观察到所需的进气温度降低。因此，对于给定的进气温度，可以实现发动机在较低的负荷下运行。这将转化为给定进气温度下HCCI低负荷边界的延伸。
关键词：废气燃料重整;天然气;氢;HCCI
1.介绍
-
- 均质充量压燃式发动机
均质充量压缩点火（HCCI）发动机正在全球范围内被积极开发，因为其效率接近柴油发动机，氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放物的含量较低。另外，HCCI发动机已被证明可以使用一系列燃料，如汽油、天然气（NG）、乙醇等[1-3]。
人们普遍认为，HCCI燃烧是由烃氧化反应的化学动力学所决定的。这一观点得到了光谱学实验的支持，这表明HCCI燃烧中自由基形成的顺序与自燃的顺序相对应，而不是火焰传播[4]。最近的实验[5]和建模[6-8]的结果也支持这个观点。
一般来说，一个大气层的碳氢化合物氧化可以分为三个主要的温度范围：
·低温lt;650K
·中间温度650-1000K
·高温gt;1000K
这三个区域的温度限制与压力有关，随着压力升高，温度极限达到更高的温度，典型如在缸内条件下。
天然气汽车点火的主要热量释放取决于高温区域，并且为了实现热释放过程发生所需的期望的高汽缸内温度，以前在四冲程NG HCCI发动机上完成的大部分高压缩比的典型工作区域（典型区域在压缩比为15-21）和/或进气加热进行。 Christensen等人[1]使用低十六烷值和高挥发性燃料（如异辛烷，乙醇和天然气），并在17:1或更高的压缩比下实现柴油效率HCCI运行。在21：1的压缩比下，可以用异辛烷作为燃料实现HCCI，无节流运行且无需预热。对于使用相同压缩比的HCCI，乙醇和天然气分别需要预热至80℃和120℃。
尽管天然气需要高自燃温度，但由于甲烷是其主要成分，因此可以通过使用高压缩比，充量加热和/或捕集残余气体再循环来实现HCCI燃烧。通过改变主要放热延迟，燃料混合也会影响HCCI燃烧的开始。Olsson[9]已经表明，与少量氢气的燃料混合将作为天然气HCCI的点火改进剂。
加氢作为甲烷燃烧添加剂的重要性在于其是H原子的贡献者，预计H原子通过增强链分支如H2/O2反应（H O2→OH O）。这将提前主要放热时间，转化为天然气稳定自动点火所需的较低进气温度，特别是在中等压缩比下。
对于所需的少量氢气，合理的解决方案是使用废气燃料重整的机载生产。
-
- 废气燃料重整
废气燃料重整过程是一种用于IC发动机应用的机载氢气生产方法。在过去的十年中，它已经在Birming-ham大学进行了广泛的研究，火花点火工作以及最近在压燃式发动机上的工作已经在文献中被重新引入[10-14]。该过程涉及发动机废气（高温下的氧气和蒸汽源）与碳氢燃料的催化反应以产生富含氢气的气体，然后可将其作为重整的废气再循环（REGR）再循环至发动机。废气燃料重整过程类似于自燃重整（ATR）过程，其中烃燃料与蒸汽和空气或氧气反应以产生富氢气体。反应包括完全和部分氧化反应，蒸汽重整反应以及水煤气变换反应。这些反应可能伴随着其他反应，如干重整反应（燃料和二氧化碳在高温条件下发生吸热反应并产生氢气）和焦炭形成反应。在低温（〜300℃）下，如典型的HCCI排气中，反应的平衡模型预测产品气中氢含量相对较低（小于20％vol）[15,16]。
本文记录了天然气闭环排气燃料重整在天然气HCCI操作中的应用。所提交的工作是关键HCCI技术的研究计划的一部分，特别是使用催化废气重整的氢气添加，最终目标是车载紧耦合燃料重整器。
-
实验设置
- 发动机系统
使用改进的单缸SI发动机。压缩比从常用规格的10.5提高到15。这种适应性也使得燃烧室形状更类似于为HCCI发动机提出的典型的高级发动机设计。表1所示为发动机的规格与技术参数。
表1 发动机性能参数
在整个测试过程中，发动机节气门保持敞开，入口气流速率保持不变。所有的测试均在1500rpm的发动机转速下进行，发动机负荷通过加油设定而改变。没有应用特殊的阀门策略。使用SI发动机的标准进气和排气凸轮轴。
记录发动机IMEP和气缸压力曲线。发动机以稀空燃比运行，同时保持指示平均有效压力（IMEP）的变化系数（COV）低于5％。来自放热分析的5％燃点被用作燃烧相位的指标。尽管可能已经使用了其他燃烧指标（例如50％燃点），但在该应用中选择了5％的燃烧点，因为它不受在HCCI操作中使用较重碳氢化合物燃料时发现的负温度系数的影响，并且它不随燃烧持续时间变化。因此，它被用作加氢时燃烧相变化的指标。
在进气管道中安装了一台3 kW电热空气加热器，以预热天然气HCCI运行所需的空气。加热器位于燃料入口和废气再循环（EGR）回路的上游。
天然气HCCI的负荷下限受到空气加热器可达到的最高温度的限制。当发动机接近爆震极限时确定上限负荷。
对于添加纯氢气的灵敏度测试，氢气按体积形成10％的主要燃料。进气温度保持恒定以确定氢气添加对燃烧相位的影响，同时调整主燃料以维持发动机负荷。
进入发动机的重整废气流量保持恒定为进气体积的5％，以使重整器条件的变化最小化。重整气体的氢气浓度取决于重整器的条件。在测试过程中没有使用其他外部EGR。
记录包括二氧化碳，一氧化碳，未燃烧碳氢化合物和氮氧化物排放量在内的废气排放量。排气的氧含量也被记录下来。
-
- 重整器
图1是一个用于重整实验的小型反应器，反应器系统基于Al-lenby等人的设计[10]。控制排气，、天然气和空气流入反应器，并使用炉子来控制反应器的温度。反应器本身是一个1英寸直径的不锈钢管，装有两个65毫米长、75毫米长times;25毫米直径的整体催化剂。使用两个热电偶记录温度，一个在催化剂整料的入口上方10mm处，另一个在整料的底部。
在所有情况下，气时空速（GHSV）定义为25℃时催化剂入口处的体积流量除以整体式催化剂的体积，由于硬件限制而保持在大约8325h-1。
重整实验使用Johnson Matthey plc提供的催化剂进行。该催化剂是一种含有金属氧化物促进的贵金属的无镍配方。它是一种专有配方，旨在促进所有所需反应（氧化，蒸汽重整，WGSR），同时抑制焦炭的形成。
为了使催化剂的硫中毒最小化，重整器供应纯甲烷而不是天然气。不得不说，硫磺对催化剂的影响并没有消除，因为一些硫与废气一起进入反应器（发动机用天然气作为燃料）。
紧靠排气阀下游的排气温度在重整器入口处重现。这是为了模拟发动机中的紧耦合回路，其中机载重整旨在无需任何辅助加热设备。
重整物的氢和甲烷含量用配有热导检测器的气相色谱仪测量。
图1.小型重整器构造
-
- 闭环重整
闭环重整系统包括重整燃料和一些废气以产生富含氢气的气体并将其引入发动机的进气歧管。原理图如图2所示。这可以通过使用外部重整器来实现，所有参数都可以调整。在我们的实验中，重整器的入口设置在适当的条件下以模拟紧密耦合环路条件。
图2.闭环重整试验系统示意图
-
结果和讨论
- 燃料重整
根据发动机负载，排气组成会发生变化。这将转化为重整器入口处变化的反应物比率，如已经在其他废气燃料重整出版物中报道的那样。
如前所述，燃料重整的目的是产生富氢气体。从燃烧的角度来看，无论废气的特性如何，都有最佳的稳定固定氢浓度。然而，在实际应用中使用稀薄HCCI时，排气成分会随着发动机负荷而改变。因此，为了更好地模拟实际应用，试图保持氢气生产水平而不考虑废气组成。
为了维持稳定的氢气产量，可以使用先前确定的重整器状态来运行运行的发动机，改变空气、燃料和废气以匹配该条件。然后可以进一步优化，其中关于焓的最佳重整器条件可以在整个负荷范围内被识别。然而本文的目的是证明闭环重整在应用于HCCI发动机时的可行性和益处，并且未来将涵盖优化研究。
为了在所有实验过程中保持氢气的产量不变，必须仔细确定反应器入口条件。为了评估对HCCI燃烧的影响，将REGR中10％和15％的氢气的比例选为实验目标。图3显示了这些实验中发动机排气的氧气和水含量。可以看出，当IMEP接近1bar时，得到排气的最大氧含量和最小含水量发。当这种废气与新鲜的甲烷燃料混合时，这些转化成重整器入口处的最高O2/H4比和最低H2O/CH4比。在本实验中，试图在重整器中保持相似的条件以便在所有运行期间保持发动机摄入组合物的相同氢产率。选择此点作为确定氢气生产目标的重整器条件的基准，因为在生产重整器技术上增加O2浓度比增加H2O更加可行。
图3. 不同负荷下废气中氧气和水含量、过量空气系数
结果，当发动机负荷增加并且废气中的氧气和更多的水可用时，额外的空气被引入到重整器中以置换一部分废气并补偿减少的氧气和增加的过量水。
可能在不通过增加空气来补偿下还有其他方法可以应用，因为在这种情况下，重整器的产量可能不会被完全优化。在伯明翰大学进行的研究表明，重整器结构（例如纵横比等）影响氢的产生[17]。然而，由于工作的重点是证明闭环废气燃料重整用于HCCI操作氢气的可行性和益处，目前的设备设置被认为是足够合适的。
氧与燃料的摩尔比（O2/CH4）保持在0.59和0.68之间，并且水与燃料的摩尔比（H2O/CH4）比在0.26和0.33之间以产生所需氢的10％。选择的第二点是O2/CH4=0.49和H2O/CH4=0以产生所需的15％氢气，这对应于部分氧化并且在低入口温度下对应于少量HCCI操作输送更高量的氢气（~300◦C）。这一点经过测试，因为它消除了对排气中O2和H2O的波动的依赖。由于部分氧化反应因氧气增加而增加，并且虽然未优化，但选择这一点是为了检查较高氢浓度对发动机性能和排放的影响。
表2给出了这两种情况的总结。当发动机IMEP为1bar的负荷时，只有废气和燃料预先混合并用于生产氢气。在IMEP为3bar的发动机负载下，如图4所示，添加空气以实现目标H2生产。图4a显示了不同的体积百分比流量，而图4b显示了当空气添加量达到最大值时，所有气流物种在体积百分比中的分解情况。在试验过程中，用这些比例产生的H2范围允许氢气产量下降到相对小的范围内，导致氢气浓度稳定地进入发动机入口。
表2 在闭环HCCI燃烧实验中使用的两种情况下，在重整器出口处产生的氢气、氧气与甲烷之比和水与甲烷之比
图4.在IMEP为3bar的发动机负荷下H2O/CH4=0.26和O2/CH4=0.59时用于生产具有10.4％H2的REGR的重整器入口组成：（a）气体流的比例，（b）物质的比例。
图5表示目标为产生干体积比为15％H2时在重整器入口处气体的组成。部分氧化氧气与燃比被用于在低温下产生较高浓度的氢气。
图5.H2O/CH4=0和O2/CH4=0.49时用于生产具有15％H2的REGR的在重整器入口处的气体组成。
在重整产物中只有空气和燃料结合产生H2。由于废气没有相互依赖关系，氢气产量恒定在16.1％。图6给出了重整器出口处各种物质的组成。
图6.目标为生产10%和15%氢气时反应器出口组成
3.2.1.敏感性测试 燃烧阶段
图7显示了添加氢气时5％燃烧点的曲柄角度（CAD）变化。5％燃点为负数（CAD）表明它出现在TDC（上死点）之前，而正数表明它发生在TDC之后。可以看出，加氢导致5％燃点提前。5％燃点的差异从较低负荷下的6CAD变化到较高负荷下的2CAD。可以看出，随着发动机负荷的增加，这两种情况之间的差异减小。这与NG HCCI在较高发动机负荷下一样，为了保持IMEP COV低于5％，必须逐渐提前5％燃烧点，进而提前燃烧。
图7.相同进气温度下，有无氢添加时NG HCCI 运行的5%燃点
由于5％燃烧点与点火开始密切相关，所以可以认为，添加氢气会促进燃烧的开始。这意味着在压缩过程中自燃所需的最低进气温度要求降低，这是因为H2-NG燃料混合物的自燃温度较低。
由此可得，合乎逻辑的方法将确定以闭环方式生产富含氢气的重整气体此概念是否具有可行性。这意味着不引入额外的氢气，仅引入来自反应器的重整气体。
3.2.2.闭环运行
图8所示为分别在有REGR和没有REGR时NG HCCI发动机的负荷范围和所需进气温度。正如前面所提到的，NG HCCI 稳定运行所需的进气温度应随着氢气的增加而降
全文共8081字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[10525]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
