Syngas Application to Spark Ignition Engine Working Simulations by Use of Rapid Compression Machine

1. Introduction
   It has become more and more urgent to find alternative fuels or alternative sources of energy
   for transportation systems as reserves of standard fossil fuels are decreasing very rapidly.
   Therefore it is necessary to find alternative fuels to be used in the standard internal
   combustion engine to bridge this gap. Biomass is considered as the renewable energy source
   with the highest potential to contribute to the energy needs of modern society for both the developed and developing economies world-wide[1]. Energy from biomass, based on short rotation forestry and other energy crops, can contribute significantly towards the objectives of the Kyoto Agreement in reducing the greenhouse gases emissions and to the problems related to climate change [2]. The gasification of biomass allows the production of a synthesis gas orlsquo;lsquo;syngas,rsquo;rsquo; consisting primarily of H2, CO, CH4, CO2 and .3] The specific composition depends upon the fuel source and the processing technique. These substantial variations in composition and heating value are among the largest barriers toward their usage.

The main advantage that comes from the use of syngas in SI engines over the conventional liquid, petroleum-based fuels is the potential for increased thermal efficiency [4]. This is attributed to the relatively high compression ratios permitted, usually by converting Diesel engines for gaseous fuel operation in the SI mode [5], since CO and CH4 are characterized by high anti-knock behavior [6]. On the contrary, the relatively increased end-gas temperature,which the fast flame propagation rate of H2 can produce during combustion and can be responsible for knock onset, is compensated for by the presence of diluents in the fuel (N2and CO2). Their effect on combustion is to lower flame speed and so decrease the in-cylinder pressures and temperatures. The moderation of peak gas temperatures during combustion,attributed to this feature, has also a reduction effect on NOx emissions [8]. Besides, thedrawback of reduced power output using fuels with relatively low heating values can be
partially balanced by turbo-charging the engine. Towards the direction of minimizing this power derating when, for example, syngas with low heating value equal to 4–6 MJ/Nm3 is used instead of natural gas with low heating value of approximately 30 MJ/Nm3, contributes
the fact that the syngas stoichiometric air–fuel ratio is about 1.2 compared with the value of 17 for the natural gas case. Thus, the energy content per unit quantity of mixture (air fuel) inducted to the cylinder is only marginally lower when using syngas, compared with the corresponding natural gas case [9].

In single-cylinder or multi-cylinder engines, it is very difficult to control the combustion,because parameters are coupled with each other under engine operating conditions. For this reason, the use of a rapid compression machine (RCM) allows to elucidate about combustion characteristics and visualize combustion phenomena [10-15].
In this chapter, two typical mixtures of , CO, and have been considered as representative of the producer gas coming from wood gasification, and its turbulent combustion at engine-like conditions is made in a rapid compression machine designed to simulate the thermodynamic cycle of an engine, particularly compression and expansion strokes, in order to improve current knowledge and provide reference data for modeling and simulation with the objective of its application in stationary energy production systems
based on internal combustion engines.

1. Materials and methods
   2.1. Syngas
   Gasification is the thermo-chemical conversion of a carbonaceous fuel at high temperatures,involving partial oxidation of the fuel elements. The result of the gasification is a fuel gas -the so-called syngas - consisting mainly of carbon monoxide (CO), hydrogen (H), carbon dioxide (CO), water vapor (HO), methane (CH), nitrogen (N), some hydrocarbons in very
   low quantity and contaminants, such as carbon particles, tar and ash.Syngas-air mixtures and methane-air mixture are prepared in bottles by means of partial
   pressure method, and then the mixture is prepared within the chamber by adding syngas and air at specified partial pressures. The purity of the gases is in all cases at least 99.9%. The typical syngas compositions are shown in the Table 1.

Table 1. Syngas compositions (% by volume)
The simplified chemical reaction that expresses the stoichiometric combustion of syngas for syngas typical compositions is [16]:
         
Where a,b,c,d, and e are molar coefficients. Five experiments for each mixture and ignition timing were performed in order to assure the good reproducibility of the signals. For single compression the maximum difference between peak pressures is: 1.8 bar for ignition at top dead center (TDC) (70 bar on average, which represents an error of 2.5%); 0.8 bar for ignition
timing at 5.0 ms before TDC (BTDC) (69.2 bar on average representing an error of 1.1%); 0.5 bar for ignition timing at 7.5 ms BTDC (68.8 bar on average, which represents an error of 0.7%); 0.5 bar for ignition timing at 12.5 ms BTDC (68.4 bar on average representing an error of 0.7%). For compression-expansion the maximum difference between peak pressures is: 0.2
bar for ignition timing at 5 ms BTDC (30 bar on average representing an error of 0.7%); 0.1 bar for ignition timing at 7.5 ms BTDC (38 bar on average, which represents an error of 0.03%); 0.8 bar for ignition timing at 12.5 ms BTDC (47.5 bar on average representing an error of 1.7%).

2.1.1. Syngas flammability limits
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

应用合成气通过快速压缩机模拟火花点火 发动机工作

引言：

寻找替代新能源已成为越来越迫切的问题目前运输系统的标准化石燃料储量正在迅速减少。因此，有必要找到可用于内燃机的标准替代燃料为弥补这一差距。

生物质被认为是具有最高潜力的可再生能源，有助于现代社会的能源需求，生物质能源根据短期的旋转林业和其他能源作物，可以朝着在减少温室气体排放和气候变化相关的问题而开发而达到减少温室气体的目标。生物质的气化生产的合成气主要由氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳所组成。成分和热值大幅变化对他们使用的最大障碍之一。而石油为基础的燃料的主要优点是有着增加热效率的潜力。这通常是由在桂模式柴油发动机转换为气体燃料操作时产生相对高的压缩比而产生的，一氧化碳和甲烷的特点是具有高的抗爆震性能。与此相反，在相对增加最终气体温度，其中氢气的火焰传播速度快可以在燃烧过程中产生爆震发病，燃料中的（氮气和二氧化碳）通过稀释剂的作用下进行补偿。 它们对燃烧的影响是降低火焰的速度，从而降低气缸内的压力和温度。在燃烧过程中的峰值温度的适度归因于这一特点，也减少对氮氧化物排放量的影响。使用的燃料热值相对较低，可部分平衡涡轮增压发动机。在单缸或多缸发动机中，由于发动机工作条件下的参数相互耦合，难以控制其燃烧过程。

1. 材料与方法

2.1。合成气

气化是在高温下的含碳燃料的热化学转换。气化的结果是一种燃料气体，即所谓的合成气，主要是一氧化碳、氢气、二氧化碳、水蒸气、甲烷、某些碳氢化合物。空气混合物和甲烷空气混合物是通过部分瓶制备压力法，然后在所制备的混合气和空气在指定的部分压力的混合物制备。气体的纯度在所有情况下至少99.9%。典型的合成气组成表1

表1。合成气组成（体积%）表示合成气的简化化学反应是[ 16 ]：

其中A，B，C，D和E是摩尔系数。单个压缩峰值压力之间的最大区别在于：在上死点1.8巴为点火（TDC）（70栏上的平均水平，这代表了2.5％的误差）; 0.8巴点火在TDC（BTDC）前5.0毫秒（69.2栏上平均较1.1％的误差）时间; 0.5巴用于点火时间为7.5毫秒BTDC（68.8栏上平均，其表示为0.7％的误差）; 0.5巴用于点火时间为12.5毫秒BTDC（68.4巴，平均占0.7％的误差）。用于压缩膨胀峰值压力之间的最大区别是：0.2禁止点火定时在5毫秒BTDC（上平均30巴占0.7％的误差）; 0.1巴用于点火时间为7.5毫秒BTDC（38栏上的平均水平，这代表了0.03％的误差）; 0.8巴用于点火时间为12.5毫秒BTDC（47.5巴，平均占1.7％的误差）。

2.1.1。合成气燃烧极限

可燃性极限是最广泛使用的用于表示气体的燃烧特性指数。有两种不同的单独的可燃极限为燃料–空气混合物，即瘦燃油限制到这火焰传播被称为可燃下限（LFL），和最富有的极限被称为爆炸上限（UFL）。

本研究的目的是确定空气混合物的可燃性限值从而固定能源生产系统的指导。由于在能源生产方案的条件是不同的，即在压力方面，一些设备上面描述的标准描述的特性不遵循。所获得的可燃区域会比实际的易燃区域要窄。在这种情况下，先对我们的实验工作，合成气 - 空气的混合物的可燃性区域的各种测量与特定点火系统为标准，当量比在0.1steps是变化的。压力不同的初始条件可燃性限值示于图1-2。

图1。上升气流的空气混合物的爆炸极限。

图2。下吸式空气混合物的爆炸极限。

0.4和1.4范围内的当量比之间。增加初始压力为3巴，稀燃极限降低到=0.5。

图2显示了下沉混合气具有易燃地区是0.3和1.6之间的等价比率。对于= 0.3压力只增加20%的初始压力。增加初始压力为3 bar，贫可燃极限降低到= 0.4。

2.1.2。燃烧速度

燃烧速度，传播的火焰由以下计算表达式[17]：

其中，T和P，是参考温度和压力下，.alpha;和beta;，是温度和压力指数，分别和Su0基准燃烧类型的典型的合成气组合物的层流燃烧速度相关

式中，T是温度，P上的压力和0表示参考条件的索引

（1.0巴，293 K）。

2.2。压片机

实验是压缩机（RCM）在ENSMA研究所P进行。此RCM已设计在活塞速度的变化类似，因为它在模拟一个真正的发动机做的方式。德盛的体积压缩比可以通过改变余隙容积来从=9.1变化到=18.8。则RCM设有圆角活塞（50times;50，R= 3.6Hz毫米）正方形横/部分，允许扁平窗可以安装在腔室的侧面;这使得直接可视化和平面激光测量整个体积内（图3），在活塞上设有方密封环还带有方形导环，避免形成角涡不对称。此外，RCM是一个较长的压缩行程（S = 419毫米），在上死点时提供一个广泛的可视化窗口（TDC）对应于一个给定的压缩比。压缩反应的混合物得到如下。液压缸设有凸轮运动，通过水平平移引导轮转换成垂直运动。RCM是保持凸轮与导向轮之间的接触回程缸；这确保气室的体积以及稳定在TDC。

RCM是安装在室壁的加热系统在不同初始温度下死点（BDC）293和373之间plusmn;1.5K。

图3。RCM方案。（1）气缸/燃烧室，（2）回流缸，（3）导向轮、（4）制动系统、（5）、活塞（6）连杆、（7）凸轮、（8）液压缸、（9）杆

该RCM的机械部分是根据弹射器的原理。气缸，高速伺服阀（约5毫秒的响应时间）指令和有水力发电站允许400升/ min的流量供给，后者轮流水平安装在高速驾驶40公斤的滑架的钢棒在轨道上。需要安装液压制动器，以控制它运输的方式，通过从0到40公里/小时，从40公里/小时0。一切都将采取60毫秒。

RCM是配备各种测量手段：激光传感器测量位移，电感式传感器的位置沿着活塞轴线产生火花启动光学仪器，一个传感器测量的动态压力燃烧室，以及一个特殊的情况下的试验室加热过程中使用的热和控制温度。腔室配备有用于排水和气体混合物的填充，以及一个次级缸来创建控制空气动力效应，代表那些在发动机中的（旋流运动，翻滚或均相湍流）阀。RCM是由PC机控制测量标志管理（压力、活塞位置、壁面温度、热通量等）通过数据采集系统和集成的接口。也有的RCM控制参数（刹车压力，液压，活塞位置，接触凸轮杆，等）是考虑到安全原因。该接口还可以控制激光和相机的信号。在一个理想的火花点火式内燃机可以高尚的三个阶段：压缩、燃烧、膨胀。在燃烧整个压力上升需要在TDC体积不变的地方。然而，在实际的发动机这种情况不会发生以及如在RCM的压力变化。压缩和扩展快速压缩机燃烧示于图4其中燃烧的三个阶段。

图4。在RCM的燃烧阶段

在该图中，A是火花的通路的点，B是可以被检测到的压力上升的开始点，C点实现峰值压力。因此AB表示第一阶段，BC表示第二级，CD表示第三级。

第一阶段被称为点火滞后或准备阶段，其中发生火焰的自蔓延核的生长和发育。这是根据压力和温度及燃油的性质的化学过程。此外，它也取决于温度和反应速率之间的关系。第二阶段是急燃过程，并与火焰蔓延整个燃烧室有关。第二阶段的起点是在压力上升的点，即燃烧线脱离压缩线（B点）。这可以从压缩偏差曲线见。在第二阶段的火焰传播几乎在一个恒定的速度。热传递给气缸壁是很小的，因为只有一小部分的燃烧混合物与气缸壁在这期间接触。热释放速率很大程度上取决于湍流强度，而且取决于混合物的反应速率组成。压力升高率与热释放速率成正比，因为在这个阶段，燃烧室体积保持恒定的（由于活塞在上止点附近）。第三阶段的起点通常是在瞬间达到最大压力点，在这个阶段火焰传播速度降低，燃烧率也变低，由于较低的火焰速度和减少火焰前表面，自这一阶段的燃烧膨胀冲程开始前，随着活塞达到上止点时压力不提升。

2.2.1。空气动力学

以往的研究表明活塞运动产生的卷起漩涡，导致从边界层的冷气体与核心区的热气体混合。然而已观察到的数据之间有巨大差异，这些差异是由于部分的不同的热损失特性的压缩行程中空气动力学的影响特别是复杂的，因为它不显示在压力跟踪表，它可能会导致显着的温度梯度并最终导致失败的绝热核心假说。压缩机内的空气动力学性能很不稳定，在预点火过程中起着作用，但也因为它推动了温度分布的演化及流量随时间的演化特征。并量化和湍流强度的分布是使用惰性气体N2简化诊断，避免了不必要的可能的氧化。

2.2.1.1。速度波动

湍流的研究一般是基于雷诺分解，这里的瞬时速度（U）被分解成平均（lt;Ugt;）部分和波动（U）部分：U =lt;Ugt; U。在大多数情况下，使用这种方法在引擎结果在湍流强度可能因素大幅高估。事实上，整体运动（如大涡度运动）的周期性波动，包括在波动领域以及速度的波动引起的流动的湍流性质。图5显示惰性气体压缩过程中速度场的时间演化。它是观察到10 ms BTDC层状一维压缩流。这个区域的层流变成二维和发散到墙壁。湍流区到达上止点，占据的那一刻室容积的很大一部分。在这个区中的流动是由两个反向旋转的涡流组成，这是与活塞的运动从侧壁向着该腔室的中心带来的气体，形成在角部旋涡的文献相一致的结构。这些旋涡移动到侧壁和后下腔室。同时，湍流的最大速度逐渐减小，并且在结束时所观察到的“层流”区域的压缩程度减少。但也有一些低速区依然存在。 TDC后40毫秒，边角旋涡由零散和极具立体感流所取代。层流和紊流区并存的MCR平顶活塞流特性。可以观察到的某些不对称涡速度，较低的值在TDC和靠近墙（图5）。这种不对称反映的动能发生在涡流下流区。

在这种情况下，如果高速区再生惯性明确核心区，在界面上流动的湍流的性质也可能在核心区范围减少会加速。此外如果流量停止运动的整体速度迅速下降。从而反映了动能转移从大尺度的湍流尺度。

2.2.1.2。腔芯的流动分析

整个运动进行了分析并提供了一个初步评估湍流波动的测量。详细评估湍流的性质并对湍流特性进行评估。由于粒子图像测速技术在一个与5 kHz的512x512像素13毫米图像分辨率和时间分辨率测量。调查的区域是靠近中心的腔室（1.5毫米到左），在那里的平均值和脉动速度保持在10毫秒内比较高的止点。图6显示了这个区域的波动速度分量。据观察TDC相似的幅度后速度分量波动下降。最大流量速度是获得在上止点前2-3毫秒值约0.65米/秒，其次是一个快速下降到大约0.4米/秒，反映最快的区外测量的磁场对流整体下降。

图6。时间演化的速度波动的变化[ 15 ]。

这两个速度分量波动TDC后减少类似幅度。动能（k）的两个速度分量（U，V）如下：

K= (6)

因此，这是轻微低估（20%）由于缺乏第三个组成部分。我所获得的湍流强度：

其中u是均方根湍流速度波动和U平均流速的平方（RMS）（雷诺平均）。

图7表示动能湍流能量。动能的最大值TDC2-3毫秒之间。它随后迅速下降反映两个湍流动能的整体下降，而且所测量的场外最快区的对流湍流强度适中，

随着时间的推移，轻微的变化的值约为20%。这个值对应于一个高速湍流区。

3。结果与讨论

RCM可以工作在两种模式：单一的压缩行程和膨胀冲程的单压缩一般用于可燃混合气体的高压自动点火，因为它直接测量点火延迟。感兴趣的是当热传导到墙壁，那么它通常是使用惰性气体与相同的绝热系数作为反应混合物测试气体。在这项工作中惰性气体的化学计量的合成气-空气混合物被用于自动点火条件，以便提供热模拟的数据。压缩和膨胀冲程容易控制的条件下模拟内燃机的单个发动机循环和比传统的内燃机更清洁的环境。

3.1。单压缩

图各种时间火花和压缩比的化学计量合成气 - 空气混合物的RCM压力实验。四个点火正时进行了测试：TDC和以及分别TDC之前5.0，7.5和12.5毫秒。

图8。气流在不同放电时间压力与空气混合气计量上升。

图9。在不同放电时间下沉气流合成气的压力与空气混合物的化学计量在两种合成气的情况下，峰值压力随点火时间的增加而减小。当点火是在上止点时燃烧会发生在恒定的体积的余隙容积内。在这种情况下，一个具有较高的初始压力和温度并没有被压缩的新鲜的混合物的流动而受影响从而减少湍流，在轮流，传热。至于点火正时的担忧，从上止点的允许偏差较小的初始压力和温度在压缩冲程燃烧从而降低峰值压力。还观察到在压力梯度在上止点的降低，这意味着通过合成气混合物燃烧释放的热量不足以保持相同的压力梯度。如上所述，与化学计量的甲烷-空气混合物的实验也进行了比较，结果如图10所示。

图10。不同点火时间的化学计量比甲烷-空气混合物的压力随时间变化。

这种混合物遵循相同行为的典型合成气组合物，但具有较高的压力。这些结果有助于事实的合成气化学计量空气–燃料比介于1和1.12之间的值进行比较。考虑到RCM室有1升，能量引入到室上升到2.60的情况下2.85 kJ的下沉气流和3.38 kJ的甲烷为化学计量的条件。这些值是在与获得的气缸压力协议，然而在由于热损失的影响峰值压力而言不成正比。这些主要取决于熄火距离以及混合物的导热性。较高速度的燃烧的甲烷相比合成气组成也导致更加快对流。

3.1.1。化学发光发射的直射光的可视化

图11.化学计量的上升气流的合成气 - 空气混合物燃烧的直接可视化的RCM。 （一）在点火TDC; （二）点火12.5毫秒BTDC[25]。

当点火在TDC处的燃烧发生在恒定的体积的余隙容积。直接可视化展示约17.5毫秒燃烧持续快速汹涌的火焰传播爆炸。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[146302]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word