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气体成分对压缩天然气发动机性能和排放的影响
Byung Hyouk Min, Jin Taek Chung, Ho Young Kim和Simsoo Park
（机械工程系，高丽大学5 - 1，亚南洞，城北区，首尔135 - 701号，韩国）
摘 要：天然气被认为是用于乘用车、卡车运输和固定式发动机的一种很有前途的替代燃料，它对环境和能源安全都有积极的影响。然而，由于天然气燃料的成分随着地理位置、气候条件和其他因素的变化而变化，所以预计这种燃料性质的变化将影响CNG（压缩天然气）发动机的排放特性和性能。本研究的目的是研究气体成分的差异对发动机性能和排放特性的影响。结果表明，随着WI（沃泊指数）和MCP（最大燃烧势）的增加，THC（总碳氢化合物）减少。另一方面，随着WI和MCP的增加，NOx略有增加。本研究提出采用TLHV（进气总低热值）作为CNG发动机中气体燃料相容性的潜在指标。当特定气体燃料的A / F比（空燃比）和点火正时固定时，根据气体成分的不同，功率变化高达20%。
关键词：CNG（压缩天然气），排放，气体成分，MCP（最大燃烧势），进气总低热值（TLHV），WI（沃泊指数）。
- 引言
近年来，对环境的加强管制以及对石油资源短缺的日益关注，导致了汽车替代燃料成为热门研究课题。CNG是具有较低排放水平的有前景的替代燃料之一（Kim等，1997）。由于CNG是一种气体燃料，因此天然气成分及其性质会因地理位置和气候条件的不同而有很大的差异。近年来，印度尼西亚一直是韩国进口天然气的主要来源地。对于韩国的城市公交车来说，自2000年以来，柴油发动机已被CNG发动机所取代，到2007年，采用CNG发动机的城市公交车的数量将逐渐增加至7万辆。如果天然气汽车在不久的将来流行起来，那么对天然气的需求可能会急剧增加，从而导致进口国家不可避免的多样化。那时，根据生产地点改变天然气成分将成为一个关键问题。然而，CNG发动机必须开发和测试一种固定成分的特定的气体燃料。众所周知，根据之前的研究（Ishii等，1995，Sakai和Kuroda，1996），发动机的性能和排放受到天然气成分的影响，因此，天然气在发动机中用作汽车燃料所规定的具体要求是必需的，例如燃油计量和点火正时等。
这项研究的目的是研究气体成分对发动机性能和排放的影响，特别是THC和NOx，它们是天然气发动机的主要排气成分。这项研究的结果可为选择进口地区和开发新型CNG发动机提供有用的资料。本文选择了八种不同的测试气体燃料来考虑来自不同地区的气体组成。MBT条件是通过改变每种测试气体的A / F比和点火正时获得的。在发动机转速为1800 rpm、bmep（平均有效压力）为2.0 bar和发动机转速为2400 rpm、bmep为2.5 bar的MBT条件下进行了排放测试。
表1 天然气燃料的测试规格
- 实验装置和程序
2.1测试气体燃料的选择
在图1中列出了世界各地的30多种天然气的沃泊指数（WI）和最大燃烧势（MCP）。WI与气体燃料的热值有关，被定义为热值除以比重的平方根。MCP是发动机燃烧特性的一个指标，即燃烧速度的指标，定义为公式（1）。
图1 天然气的性质变化
H2、CO、CmHn和CH4分别是气体燃料中H2、CO、CmHn和CH4的体积分数，d代表燃料的比重。
从一个地区到另一个地区的天然气性能有很大变化。在本研究中，考虑到WI和MCP，选择并制造了八种具有代表全球气体产物组成的测试气体。本研究中使用的CNG的规格和成分在表1中给出。气体B是来自印度尼西亚的天然气，供应给韩国的普通家庭使用。气体D为l00%的甲烷，是天然气的主要成分。气体A代表WI和MCP的最大值，而气体H的MCP值最低。气体E的性质介于气体D和F之间。气体C的WI和MCP值与气体B类似，但是它们的气体成分不同。请注意，氮气、二氧化碳和氢气用作气体C、E、F、G和H的惰性气体。
2.2实验装置
发动机单元——发动机测试是基于一个1.5升的汽油发动机。活塞顶的几何形状进行了修改，从而可以提高压缩比的值，使其超过12:1。储存在20 MPa最大压力下的CNG通过第一个压力调节器将压力降低到2 MPa，之后流向发动机单元。天然气在第二压力调节器中再次被减压到0.7MPa，然后通过燃料喷射器喷射到气缸中。气体燃料喷射器是一种峰-保持型燃料喷射器，具有较大的喷射速率。图2显示了发动机单元的布局。为了改变和控制气体燃料量（A / F比）和点火正时，制造和使用了发动机控制系统。根据大范围O2传感器的输出信号来监测A / F比。
图2 发动机单元示意图
图3 废气取样线路示意图
排放测试设备——采用具有FID（火焰离子化检测器）的气相色谱仪（M600D GC）来测量和分析低范围HC化合物 (C1--C4)的原始排放。分别采用碳筛B柱和色谱载体W AW柱检测C 1--C3和C4。图3显示了废气HC的气相色谱和直接取样系统。利用Horiba气体分析仪对NOx和CO进行测定。废气直接在排气歧管和催化剂之间取样。
2.3测试条件
在发动机转速分别为2000 rpm和3500 rpm的WOT条件下进行了性能测试。控制A / F比和点火正时以获得每种气体燃料的MBT（最佳扭矩的最大点火提前角）条件。为了在预开发的发动机中检查天然气燃料的兼容性，比较了八种测试气体在气体B固定条件下（例如A / F比或点火正时固定）的功率输出（摆动试验）。部分负荷试验是在1800 rpm，bmep 2.0bar和2400rpm，bmep 2.5bar下进行的，这也是排放测试的条件。
- 结果和讨论
3.1通用发动机性能测试
图4 发动机扭矩曲线（WOT，气体B）
摆动试验——图4显示了使用气体B时，转速分别为2000 rpm和3500 rpm下的发动机性能随A / F比和点火正时的变化曲线。图中的值表示每个工况点的转矩（Kg-m），实线表示在每个lambda;（相对空燃比，即过量空气系数）值处的MBT点。对于所有情况，发动机转速为2000 rpm时，50° BTDC的点火正时不会发生爆震等不稳定的燃烧现象。一般来说，功率在lambda;= 0.95附近时有最大值，然后朝着稀燃料区和浓燃料区逐渐减小。正如以前的研究（Ishii等，1994，Turns，1996）所发现的那样，即使在lambda;= 1.25的条件下，发动机仍然能够稳定运行。研究还发现在MBT条件下，随着点火正时的提前，功率逐渐降低。这种变化趋势与3500 rpm的更高发动机转速下的变化趋势是相似的，而功率相对lambda;的变化比相对点火正时的变化更加敏感。
图5 MBT相对于MCP的变化
MCP对点火定时的影响——由于每种气体具有不同的MCP值，因此MBT条件随气体成分而变化。 图5显示了MBT相对于MCP的变化。 MBT与燃烧势成反比，表明具有较小MCP的气体应较早点燃，因为它需要更多时间使初始火焰充分发展。气体E、F和G的点火正时需要提前，因为氮气阻碍了火焰的发展。研究还发现，燃料中甲烷的含量对确定无惰性气体燃料的点火正时起着重要作用。 这是因为甲烷是天然气中的主要物质，在HC化合物中具有最小的MCP值。
图6 功率相对于WI的变化 图7 功率相对于进气总低热值的变化
TLHV对发动机功率的影响——WI是一个用于确定一般燃气器具对热量的气体相容性的标准。它不适用于发动机的气体相容性，因为WI是根据相同体积流量的气体的HHV（高热值）定义的。在内燃机中，进入气缸的气体燃料的体积对于每种气体来说是不同的，因为即使气缸的尺寸相同，每种气体的理论空燃比也是不同的。此外，LHV（低热值）适合于计算发动机中产生的热量。图6显示了发动机功率相对于WI的变化。功率通常与WI成正比，但气体D(10096甲烷)的值很低。这可能是因为气体D在HHV和LHV之间有较大的差异，其较小的空燃比表明发动机内的气体燃烧量较小。为了证实这一点，提出采用TLHV（进气总低热值）作为确定天然气发动机的气体相容性的标准指标。该值被定义为进入发动机的实际气体量乘以气体的LHV。图7显示了发动机功率与气体B的标准化值之间的关系。气体D和G向左移动很远，所以功率似乎与进气的TLHV成正比。因此，TLHV可以作为发动机气体燃料相容性的潜在指标。然而，发动机的功率不仅取决于热值，还取决于气缸内的燃烧特性。将来需要详细研究气缸内每种气体的燃烧特性。
图8 不同工况功率的比较（2000 rpm） 图9 不同工况功率的比较（3500 rpm）
发动机运行工况对功率的影响——图8和图9显示了以下三种情况的功率比较：（1）当点火正时固定在气体B的MBT（2000 rpm：BTDC 24 CA，3500 rpm：BTDC 32 CA）上时，控制空燃比以获得每种气体的最大功率，（2）当供气量固定在气体B获得最大功率的值(气体B的lambda;= 0.95）上时，对于每种气体燃料，点火正时被控制为MBT，（3）供气量和点火正时都固定在气体B的最大功率值上。当气体B的点火正时固定在MBT时，在两种发动机转速下，八种气体燃料的功率变化高达5-6%，这与Sakai和Kurada（1996）在他们的研究中观察到的结果类似。另一方面，如图4所示，当供气量固定时，功率的变化甚至比之前更大，随着气体的变化，功率的变化高达9%，这是因为天然气发动机的功率对空燃比的变化比点火正时的变化更敏感。最后，当气体B的两个条件都是固定值时，功率相对于气体燃料来说有很大的变化。因为发动机的状态调整为气体B，所以在这种情况下，气体B的功率提供了最大值。当发动机转速为3500 rpm时，气体F的功率降低幅度高达20%。
图10 气体B的THC量相对于WI的变化（1800 rpm）
图11 喷射持续时间相对于WI的变化
3.2 THC与气体成分的变化
关于WI的变化——图10显示了当发动机转速为1800 rpm时，气体B的THC相对WI的变化。随着WI的增加，废气中THC的含量减少。由于WI表示单位体积的热值，因此，为了获得相同的bmep的测试条件，WI值较低的气体进入气缸的量必须比WI值较高的气体进入气缸的量更多。这一点可以在图11中得到证实，这表明进气量与WI成反比。如果进气量增加，则狭缝中捕获的未燃碳氢化合物增加，从而使排气中的THC增加（Matthews等人，1996）。对于WI值较低的气体F和G，即使燃料量增加，THC的含量也不会增加。原因在于这两种气体中含有大量的氮气，所以与气体E相比，这两种气体中的HC与燃料量不会成比例地增加。2400 rpm的结果也显示出了类似的趋势。
关于MCP的变化——天然气燃料的MCP对原始排放的THC的影响如图12所示。由气体B标准化后的THC随着天然气燃烧势的增加而下降。随着MCP的增加，气缸内的燃烧压力增加，导致燃烧气体温度升高。因此，具有较大MCP的气体的THC量在天然气排放物中减少。
图12 气体B的THC量相对于MCP的变化（1800 rpm）
图13 NMHC随气体燃料中CH4/HC的变化（1800 rpm）
关于NMHC的变化——对于八种测试气体，我们发现NMHC（非甲烷烃）中的主要种类是C2，特别是乙烷。图13显示了NMHC的体积分数随气体燃料HC中CH4含量的变化。气体A和气体C的值相对较大，因为这两种气体的排放物都有相当大比例的C2。气体B的值次之，因为它比其它任何气体的排放物含有更多的C3和C4。气体D产生的NMHC最少，因为THC中的主要成分是甲烷。
表2 碳氢化合物的臭氧反应性
相对臭氧反应性——表2显示了每种HC物质的臭氧形成潜力。在这项研究中，碳氢化合物排放量按照体积分数来记录。因此，最后一列表示在摩尔基础上碳氢化合物的相对臭氧反应，其被甲烷的值标准化。注意到乙烯是继甲烷和乙烷之后的第三大天然气排放物，其值高达861（Paulsen和Wallace，1994）。THC对臭氧形成的等效CH4反应性可以使用表2中的值通过公式（2）计算。
图14 燃料中甲烷含量对臭氧形成的等效CH4反应性的影响（1800 rpm）
图14表示THC、NMHC和乙烯对臭氧形成的等效CH4反应性随气体燃料HC中甲烷含量的变化规律。由于乙烯具有很大的反应性值，因此排放物中乙烯含量大的气体，如气体A似乎形成了大量的臭氧。由于甲烷的相对反应性值为1，因此即使甲烷的排放量占主导地位，THC和NMHC的值也没有差别。此外，研究还发现天然气排放
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