英语原文共 11 页
火花点火天然气发动机缸内热化学燃料重整( TFR )
雷 珠、卓尧河、甄旭、星彩路、骏华坊、张五高、黄振
中国上海交通大学机电工程重点实验室
2015年12月3日收到；2016年7月13日接受，2016年7月25日在线提供
摘要
这项实验研究展示了在火花点火天然气发动机中应用热化学燃料重整( TFR )概念来同时减少排放和提高制动比燃料消耗的潜力。CH4、H2和CO是TFR废气在一系列富当量比范围内的主要成分。进行了数值分析，以说明在TFR过程中气缸中发生的H2和CO形成的化学反应路径。在3种建模条件下( 20 %、50 %和80 %的燃料消耗)，H2和CO形成的主要反应路径彼此不同。根据实验分析，热化学燃料重整气体改善了天然气发动机的燃烧性能，加快了燃烧速度。燃烧稳定性、制动热效率、制动比油耗( BSFC )、制动比碳氢化合物( BSHC )和制动比一氧化碳( BSCO )排放也可以通过TFR得到改善。与TFR系统相结合的天然气发动机的制动专用氮氧化物( BSNOx )排放仍然低于相同运行模式下的原始天然气发动机。热化学燃料再生已被证明在火花点火式天然气发动机中同时降低排放和提高热效率是有效的。此外，在未来基于BSFC和燃烧稳定性的TFR优化研究中，可以推荐气缸4 (TFR气缸)的1.2当量比。2016年燃烧研究所。Elsevier公司出版。保留所有权利。
关键词:热化学燃料重整；火花点火；天然气；废气再循环；氢
1.介绍
考虑到对能源安全和未来石油供应的日益关注，天然气具有潜力，由于其相对于常规燃料减少了环境负担和降低了CO2排放，适用于常规柴油和汽油发动机，并且由于其高辛烷值( 120 - 130 ) [ 1 – 2]而提高了抗爆特性，因此在运输中可以较好地应用。然而，天然气的低火焰速度和易燃性的限制 [ 3 ]导致天然气火花点火发动机有几个缺点；具体而言，循环间变化大，稀燃能力差，废气再循环( EGR )差，所有这些都会降低发动机功率输出和热效率，同时增加燃料消耗。
天然气发动机稀薄燃烧是实现高热效率的一种常见方式，这是由于较低的热量和泵送损失以及现代的低NOx排放，同时由于较慢的火焰引发和传播，导致发动机排出的CO和HC排放增加。此外，由于天然气稀薄燃烧能力差，稀薄燃烧天然气发动机仍然存在许多问题，如火焰熄灭、部分燃烧、燃烧不稳定性和甲烷逃逸[ 4 - 5 ]。当需要满足严格的排放法规时，稀燃燃烧无法将NOx排放降低到法规要求(如欧洲VI )，这需要相当复杂的deNOx系统，如选择性催化还原( SCR )方法来确认额外的NOx还原。
考虑到稀薄燃烧天然气发动机的缺点，配备EGR和三元催化剂的化学计量天然气发动机被认为是满足严格排放法规[ 5 ]的策略。已经证明，通过结合EGR和三元催化剂[ 6 ]在化学计量当量比下运行，NOx排放量可以减少99.9 %，HC排放量可以减少90 - 97 %，但是由于其高火焰温度和热损失，热效率与稀燃高效发动机相比下降。此外，由于燃烧速度低，EGR气体的引入同时降低了火焰传播速度，导致制动热效率和燃烧稳定性降低。然而，EGR系统也可以降低涡轮增压器的排气温度和热负荷。因此，开发创新方法以实现化学计量天然气发动机的高热效率和低比燃料消耗是非常重要的。
与天然气相比，氢具有更宽的可燃性极限，更高的火焰速度和更小的熄灭距离，允许它在更稀释的条件下燃烧，这使得它成为天然气的良好补充[7]。在前期研究中，H2和天然气在实验前在瓶子或混合器中预先混合，并使用相同的燃料系统[ 8 ]供应。通过使用燃料重整催化剂装置[9]进行废气燃料重整，可以向水力发电机提供车载H2生产。然而，燃料重整反应器需要额外的成本，必须改变发动机系统布局。此外，燃料重整反应器的催化剂更容易受到天然气中硫含量的毒害。另一种在船上生产H2的新方法是用富含燃料的混合物进行热化学燃料重整。使用超富甲烷-空气混合物的超绝热燃烧[10]已经证明了H2和CO的产生。对于所研究的当量比（2-8）和反应器压力范围（1,3,5atm），观察到CH4向H2 (65% )和CO (75% )的最大实验转化率。这一概念已经在汽油发动机的专用EGR系统中得到展示。EGR和重整燃料的结合提供了改进抗爆特性和改进EGR耐受性的可能性，这可以允许压缩比和稀释比的增加，导致高达10 %的燃料消耗降低。这一概念也被用于汽油发动机的负气门重叠重整，以控制均匀充气压缩点火( HCCI )和其他形式的高级燃烧[12]中的燃烧相位。然而，对天然气的TFR及其在天然气火花点火发动机中的应用进行了一些研究。已经注意到，如果这一概念在天然气发动机中运行良好，那么富含燃料的热化学重整气体的燃料特性可以在船上方便灵活地改变。
表1.发动机规格
气缸数量
最大功率
最大扭矩
孔数times;冲程数
排量
压缩比
CNG喷射形式
点火正时
本研究由两部分组成。首先，数值分析用于说明在热化学燃料重整( TFR )过程中气缸中发生的H2和CO形成的化学反应路径。其次，这项研究通过实验证明了在火花点火天然气发动机中应用缸内热化学燃料生成概念同时减少排放和提高热效率的潜力。
2 .实验装置
本研究采用四缸火花点火天然气发动机与涡流测功机相结合。发动机规格见表1，天然气成分见表2。压缩天然气( CNG )通过压缩天然气瓶中的减压阀供应给安装在进气歧管中的六个天然气喷射器。喷射参数，如持续时间，由电子装置设定。发动机以11 : 1的压缩比运转。试验在1500 r/min的稳定发动机转速和226-323N.m的发动机负荷下进行。分别对应于0.54 MPa和0.77 MPa BMEP (制动平均有效压力)。
表2 本研究中使用的天然气成分
轴编码器、Kistler压电压力传感器( 6118B )和Kistler电荷放大器( 5115 )被用来将曲轴转角和缸内压力传输到D2T燃烧分析仪(进化3 )。压电转换器安装在火花塞的位置。气缸压力每0.5 CA记录一次。加州分析仪器( CAI )分析了CO、二氧化碳、氧气、未燃烧HC和NOx。使用非色散红外分析仪( NIDR CAI602P )测量CO排放。分别使用热火焰离子检测器( HFID CAI600 )和热化学发光分析仪( HCLD CAI600 )测量总的HC和NOx排放量。使用Labview软件自行开发的程序，通过数据采集卡采集排放数据。TFR气体的成分通过气相色谱/热导检测器( GC/TCD )和气相色谱/火焰离子化检测器( GC/FID )离线测量来检测。缸内压力、HC、NOx和CO的标准误差分别为3.2 %、3.6 %、2.9 %和5.2 %。学生的T检验用于分析不同条件下获得的结果之间的差异在95 %置信水平上是否有统计学意义
3 .火花点火天然气发动机缸内TFR的概念
对本研究中使用的发动机的主要改进是将气缸4的排气管从主排气歧管分离并重新连接到通过EGR冷却器的进气歧管。在所有的条件下，在没有任何EGR阀的情况下建立这种直接连接后，25 %的EGR可以被实现和保持。此外，一个额外的CNG公共轨道和两个喷射器用于在气缸4的进气门附近喷射CNG，另一个电子单元控制喷射时间和持续时间。结合这些修改后，气缸4 (TFR气缸)中的当量比可以独立于任何修改，从而可以改变其他气缸。为了在气缸4中保持稳定的当量比，在实验前对附加CNG喷射系统进行了校准。随着进气歧管中CNG喷射量的不同，气缸4的当量比可以从1.0改变到1.4，以实现浓燃烧。其他三个气缸的总当量比保持在1。气缸4中的TFR废气被供应给所有气缸的进气歧管。由TFR形成的具有较高反应性的组分可以与进口空气和天然气混合，并随着活塞向下移动而被吸入所有气缸。因此，修改后，缸内TFR系统有两个典型特征。首先，它可以提供20 %的较冷EGR来控制NOx排放的形成。其次，它可以提供TFR气体与CNG一起点燃，以提高火焰速度。实验装置如图1所示。
4 .数值分析工具
为了通过热化学反应计算气缸中的H2和CO生成，使用CHEMKIN-PRO中的预混合层流火焰速度计算模型。甲烷被选为工作燃料，氢与碳的原子比为4 : 1。由于富燃和不完全燃烧，预计TFR气缸中的燃烧会产生更多的H2和CO。GRI - Mech Ver -被选为甲烷的反应方案，该方案包含53种化学物质和325种基本反应，以说明通过热化学燃料重整生成H2和CO的反应途径。
5 .讨论和结果
5.1 气缸4 (TFR气缸)中的燃烧过程
用Kistler压电传感器测量TFR气缸的缸内压力。图2显示了气缸4中产生TFR气体的燃烧过程。根据该图，当当量比增加时，气缸4中的燃烧过程被确定，表明TFR气缸中的燃烧不完全。TFR废气的成分被取样，并用GC-FID和GC-TCD离线测量。如图3所示，所有样品的浓度随着气缸4中的当量比增加。TFR发生不完全燃烧，导致H2和CO的形成。在一系列当量比范围内，CH4、H2和CO是TFR废气中的主要成分。根据表2，其他成分如C2H6、C2H4和C3H8可能来自天然气。
实验系统
气囊
废气再循环冷却器
涡轮机
气体分析仪
数据获取系统
燃烧分析仪
气缸压力传感器
天然气喷射器
火花塞
功率计
进气压缩机
混合器
增压中冷器
甲烷共轨
压缩天然气
5.2 氢气和一氧化碳的预测
在图4中，将TFR气缸中H2和CO形成的实验数据与使用点火正时中的实验温度和压力作为边界条件的适用模型进行比较。模拟数据的趋势与实验数据非常吻合，TFR气缸的当量比从1.0到1.2。随着TFR当量比从1.2增加到1.4，化学机制之间的差异变得越来越明显。这种差异的一个可能的解释是，当TFR气缸的当量比超过1.2时，TFR天然气发动机的条件不稳定，例如TFR气缸中的缸内火焰传播和失火。这将在下一节中详细讨论。对于TFR当量比，模型和机制没有准确地捕捉到从1.0到1.4转变的整个趋势，但是它们在1.2附近模拟得很好。因此，选择1.2 TFR当量比来分析H2和CO形成的反应途径。
5.3 TFR气缸中H2和CO生成的反应路径分析
使用GRI-Mech V3.0机制进行生产速率分析，以确定在TFR期间H2和CO的形成。基于PRE-MIX模型，对三种情况——20 %、50 %和80 %的燃料消耗——进行了反应路径分析。图5显示了在三种建模条件下H2和CO形成的主要反应路径。图中列出的百分比量化了特定反应途径相对于单个物种的总消耗量。
在反应开始时，低于20 %的燃料消耗，反应路径图不包含H2的生成。CO形成只有一个主要的反应途径。H原子通过OH自由基的反作用是CH4消耗的最初主要途径，如( R1 )所示
OH CH4hArr;CH3 H2O ( R1 )
几乎大多数CH3自由基与HO2反应形成CH3O (R2 )。CH3O与第三主体( M) (R3 )和氧反应形成CH2O (R4 )。CH2O主要由( R5 )通过OH分解。最终，大部分CH2O与OH反应生成HCO。然后，在五次反应( ( R1)-(R5 ) )将CH4转化为HCO之后，HCO主要被氧气消耗，产生CO (R6 )。
HO2 CH3hArr;OH CH3O ( R2 )
CH3O( m)hArr;H CH2O ( m) ( R3 )
图2 TFR气缸的缸内压力为0.54 MPa BMEP
曲轴角度
压力
气缸直径
缸内压力
图3 0.54 MPa BMEP时TFR中气体成分的浓度
废气重整产物中的其他成分的浓度
重整产物废气中的CH4H2和CO的浓度
CH3O O2hArr;HO2 CH2O ( R4 )
OH CH2OhArr;·HCO H2O ( R5 )
HCO O2hArr;HO2 CO ( R6 )
在50 %的燃料消耗下，CH4通过三种途径被消耗: CH4与小半径物质如OH、H和O反应生成CH3抽象。大部分甲基不仅由( R1 )产生，而且在甲烷脱焦过程中通过H自由基( R7 )从甲烷中提取H。所有CH3自由基被两条途径消耗，与HO2反应形成CH3O (R2 )，与第三个主体( M )反应形成C2H6 (R8 )。大部分CH3O与第三主体( M )反应形成CH2O (R3 )。
摩尔分数
H2 仿真
H2 实验
摩尔分数
CO仿真
CO 实验
图4 TFR中H2和CO的实验和计算浓度
图5 657 K，13.04bar，psi;=
资料编号：[5068]
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