富氢天然气预混燃发动机的燃烧进程的理解

摘要

德国能源转型的政策促进从化石燃料的使用到可再生能源的转变，并为增加可再生能源的年使用其国内份额年提供了一些固有的优势。然而，由于气候条件和外部条件和在低需求时期的强烈过量的电力条件，从可再生能源的输出会引起强烈波动。作为处理过剩电力的解决方案之一，电力煤气近年来已经吸引了很多的关注。过量的电能转化为H₂，并注入到现有的天然气网。

基于这一背景，本文讨论了H₂添加物对发动机燃烧过程的影响，重点研究了工业稀燃发动机在高负荷下的工作特性。实验研究采用单缸燃气发动机进行研究，这是在慕尼黑大学的内燃机研究所研制。在这个发动机试验中分别进行了3燃料、天然气、基于10 mol-%和30 mol-%天然气的H₂的检查。结果显示，受爆震和失火的限制，H₂添加剂对发动机的工作范围的影响有限。爆震极限受30mol-%的H₂的影响较小，另一方面，失火极限被大大扩展。有趣的是，H₂丰富的天然气燃料的发动机操作受发生的预点火的限制，这是由一个快速的压力上升之前的火花点火定时确定。

此外，还进行了光学研究用于快速压缩膨胀机（RCEM），这是在九州大学的内燃机实验室进行的。此项光学研究的目的是获得对发动机实验中观察到的燃烧过程一个更深入的了解。一种激光阴影以预混稀薄燃烧天然气发动机燃烧过程的可视化为目的被申请了。这个可视化结果表明，H₂外加剂可以诱导一种传播过程中的自蔓延火焰，它导致火焰传播周期减少。

此文出现的所有的研究工作皆通过日本船级社提供的一个研究项目来进行。

简介

德国能源转型政策推动了化石燃料向可再生能源使用的转变，并逐年增加国内份额，参见图1[1]。这一数字在2015年达到了30%，预计未来数年将进一步增加。可再生能源的使用有助于减少二氧化碳排放量，另一方面，由于气候和其他外部条件导致其输出波动强烈。这是延长可再生能源份额困难的原因之一。电力气体[2]可以为这个问题的一个解决方案。这是生产过剩期间的低需求可以转化为H₂，它可以利用在许多方面如氢气燃料内燃机和燃料电池或原材料为合成燃料能源。最重要的是，将氢气加到气体网络在许多方面提供了诱人的优势。例如，在广泛的区域传播的气体网络提供运输和存储所产生的H₂。另一方面，H₂具有不同于天然气组分的属性，因此H₂外加剂的使用可以产生综合化正面和负面影响之后的最终用途。因此，氢气加成对天然气的影响必须要从不同的观点来进行评估。本研究着重于发动机的燃烧特性，并讨论了H₂添加物的影响。

关于富氢天然气在内燃机上的应用，以往的研究主要集中在缸内燃烧行为、发动机性能和排放特性等方面。另一方面，这些研究大多针对高速汽车小型发动机，因此仍只有少数用于研究固定或海洋应用的大型发动机的燃烧特性的调查。由于发动机的尺寸和缸内热力学条件的差异，H₂添加物可以产生不同的发动机性能的影响。

图一：德国发电的构成占比

鉴于上述考虑，本文提出的所有研究工作的目的是了解缸内燃烧过程中的H₂补充天然气在稀薄燃烧发动机的固定或海洋应用。本文的第一部分介绍了一些突出的结果，从作者的早期研究[3][4]，这些研究讨论了发动机的工作范围，燃烧行为和基于单缸气体发动机（SCE）的运行试验的结果得到的排放特性。本文的后一部分介绍了利用光学研究的结果进行了光学访问快速压缩膨胀机（RCEM）的研究。在一般情况下，在燃烧室内，气缸内从压力测量获得的数据不能提供空间信息。在这个角度来看，光学研究可以是一个有用的工具，以提供进一步的洞察燃烧过程。

一、发动机运转试验

（一）实验设备和试验条件

发动机试验是在慕尼黑工业大学内燃机研究所，本次试验使用SCE进行。表1和图2分别给出了SCE及其概述和主要规格。一个未打扫过的预燃室作为点火系统。预压缩室中的空气/燃料混合物在压缩行程期间通过其尖端的喷嘴孔进行交换和制备。所有的测试程序，包括数据采集，测量，分析等都在[4]中详细描述。天然气由慕尼黑的天然气供应网格提供，其规格见表2。本次调查以天然气和有氢气加成的双燃料进行，尤其是在天然气中加入10和30 mol-%的氢气。空燃比的计算是基于Brettschneider所提出的方法。

图2：SCE的概况 表1：SCE的主要规格

表2：本研究中使用的气体组合物

（二）、结果与讨论

1、发动机的工作范围

基于今天的排放法规适用于固定式燃气发动机，对经营范围的评价，用于一个代表对燃烧NOx排放水平中心位置图（COC）和空燃比（lambda;）。等值线图是通过插值数据点在不同的空燃比（lambda;）和创建COC测量位置。结果NG和HNG30加油情况如图3所示。从这些轮廓图，可以清楚地看到NOx排放是如何受COC图上的位置和在操作范围内空燃比的位置的影响的。在燃料为天然气的情况下，爆震极限下的平均指示压力朝向熄火极限从20bar到18.4bar变化，而在燃料为HNG30的情况下，爆震极限下的平均指示压力朝向失火极限从19.4bar到17.5bar变化。作者认为，这些IMEP的差异对敲门、熄火极限影响较小，这让他们的工作范围直接比较。30%氢气添加剂情况下，熄火极限是从lambda;= 1.9 到lambda;= 2.1扩展。这是由H₂外加剂的更好的燃烧性能导致的。稀燃极限的扩大增加了小于排量为250毫克/立方米的低NOx排放区，这相当于通过TA-Luft [5]规定的排放限值的一半。这使得COC的位置转移到上死点（TDC），这有助于使发动机运行的高定量的效率和低NOx排放。在lambda;= 1.9的爆震极限的比较表明，30% H₂添加物的情况下，COC位置移动了，从上死点后11.7度移动到上死点后12.3度。这种变化是不明显的，考虑到带有30% H₂的天然气的甲烷量可以明显下降。此外，lambda;= 2.1时，与用天然气运行的发动机相比，对应的HNG30熄火极限允许进一步优化COC位置。这一结果表明，稀燃操作可以提高H₂外加剂的抗爆特性。虽然爆震限制并没有很大地受30% H₂添加物的影响，但是预点火却发生在爆震极限，并限制了发动机运行，其特征在于火花放电之前，缸内压力的快速增加。虽然发生预点火现象的空燃比与在HNG30情况下的空燃比相比，其会变小，但添加10%H₂的燃料的发动机运转也出现预点火现象。预点火的起源的讨论是与在后面的章节中描述的光学研究的结果一起进行的。

表3：NG 和 HNG30的操作范围。

2、发动机性能和排放性能

在这项研究中，发动机性能和排放性能是在一个固定的COC的位置，以使对不同燃料情况的数据直接进行比较。COC的位置选择在上死点后13度，指定的曲柄角的数据是由插值数据得到的，从lambda;-COC等值线图上的x轴得到lambda;，在COC的y轴上的位置得到COC值，在z轴上得到评价参数。燃烧延迟和燃烧持续时间的结果如图4和图5所示。在这里，燃烧延迟被定义为火花放电和燃烧5%的质量分数的燃料的时间段，而燃烧持续时间被定义为燃烧的10%和90%之间的质量分数的时间段。增加燃料中的H₂浓度导致更短的燃烧延迟和燃烧持续时间。由于10%氢气的加入，燃烧延迟减小了近7度曲轴转角，而燃烧持续时间在lambda;= 1.9的点上减少了3度曲轴转角。这一结果表明，H₂添加物对燃烧延迟期产生了明显的影响。

变异系数在平均有效压力（COV_IMEP）的结果如图6所示。该图显示，氢气量高的燃料导致低值COV_IMEP存在。这一结果表明，氢气的加入可以提高更精简的空燃比的循环周期的变化，有助于熄火极限的延伸。

图4：燃烧延迟与 NG、HNG10和 图5：燃烧持续期与 NG、HNG10和

HNG30的空燃比（lambda;）的函数关系 HNG30的空燃比（lambda;）的函数关系

图6：COV_IMEP与 NG、HNG10和 图7：氮氧化物排放与NG、HNG10

HNG30的空燃比（lambda;）的函数关系 和HNG30的空燃比（lambda;）的函数关系

图8：THC排放与NG、HNG10和HNG30的空燃比（lambda;）的函数关系

NOx排放的结果如图7所示。在同样的空燃比下，氢气添加增多，NOx排放略有增加。这是由于更快的能量释放率和较高的燃烧温度，使H₂的量更多存在于燃料中。另一方面，稀燃运行限制的延伸允许在非常低的NOx排放水平操作。30%氢气的加入，在lambda;= 2.1的NOx排放浓度约为50毫克/ mn³，这相当于TA-Luft十分之一的要求。因此，NOx排放水平的增加可以被延长的稀燃运行所抵消，这可以进一步降低NOx排放。

未燃烧的THC排放的结果如图8所示。以这三种燃料为例，当空燃比更小时，THC排放增加。THC排放水平在三种燃料在熄火极限的条件之间是相似的，其中含氢气量较高的燃料结果显示其处于较低的NOx排放水平。这一结果表明，H₂添加可以降低NOx的权衡。在lambda;= 1.9，10% H₂的条件下，THC排放量降低了26%，而在30% H2条件下，THC排放减少了44% 。一般来说，THC排放降低是由燃烧质量提高导致的。但在这项研究的情况下，必须考虑到H₂添加物会降低燃料中的碳原子。基于H₂-CH₄的二元混合物燃烧方程的计算提供多种效应有助于降低THC排放。根据计算，10%氢气的加入降低了3%的THC排放，而根据计算，30%氢气的加入降低了10%的THC排放。因此，可以得出结论，THC排放的减少主要是由燃烧质量的提高造成的。

图9：指示热效率与NG、HNG10和HNG30的空燃比（lambda;）的函数关系

热效率的结果如图9所示。在每种燃料条件下，热效率下降，空燃比变得更小，同时增加燃料中的H₂浓度导致效率的提高。在相同的NOx排放水平的效率的比较表明，30% H₂添加物导致从天然气加气的情况下，从44.9%的效率增加到45.7%。这一结果表明，天然气中添加氢气会减少氮氧化物与指示热效率的平衡。

光学调查

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