天然气发动机模拟掺烧废气重整燃料试验研究开题报告
2020-04-23 19:57:30
1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1背景
为了解决船舶污染问题，我国从2010年开始启动船舶油改气试点，用更清洁的LNG（液化天然气）替代污染严重的柴油。天然气具有以下优势：（1）储量丰富，我国拥有丰富的天然气和页岩气资源；（2）清洁环保，CO2排放低于汽、柴油机，几乎没有SO2和颗粒。
然而，船舶油改气七年来进展缓慢，因为天然气发动机仍存在一些问题：（1）NOx排放改善不明显，依旧无法达到法规标准。（2）HC排放大幅度升高。无论是柴油-天然气双燃料发动机还是纯天然气发动机，其HC排放都约为同功率柴油机的10倍，且HC排放中80%以上是未燃烧的甲烷。
对于船舶发动机的尾气排放，国内外都有相应限值。表1为我国第一阶段的船舶发动机排气污染物排放限值，第一阶段将于2018年7月1日执行。表2[1]为MARPOL公约附则Ⅵ中对远洋船舶发动机NOx的TierⅡ和TierⅢ排放限值。
表1 我国船舶发动机排气污染物排放限值（第一阶段）
| 转速/（n,rpm） | NOx限制值/[g·(kw·h)-1] | |
| TierⅡ | TierⅢ | |
| ≦1300 | 14.36 | 3.4 |
| 1300~1999 | 44×n-0.23 | 9×n-0.2 |
| ≧2000 | 7.66 | 1.96 |
表2 MARPOL公约附则Ⅵ中柴油机NOx的排放限值（TierⅡ和TierⅢ）
可以看出，我国排放限值中对NOx和HC的总值有限定，由于柴油机HC排放低，MARPOL公约对此没有规定，但天然气发动机的高HC排放仍然不可忽视。我国现有船舶发动机很难满足限值要求，所以NOx和HC排放问题都急需解决。其中为降低天然气发动机NOx排放，多采用安装SCR（选择性催化还原）后处理装置。现暂无有效方法可明显降低HC排放，同时，HC中大量的未燃烧甲烷也表明天然气发动机的经济性也有待改善。
本研究致力于探索一种用于船用天然气发动机不借助SCR的降低NOx排放，同时还可降低HC排放和改善经济性的路径。主要通过废气再循环（EGR）、废气重整再循环（REGR）、燃料重整三种方式结合，以达到同时降低NOx、HC排放、改善经济性的目的。为模拟REGR运行，试验采用在一台船用天然气发动机上进行不同比例的H2、CO、N2的单一掺烧和组合掺烧，以模拟天然气发动机掺烧废气重整燃料，探究天然气发动机掺烧废气重整燃料的控制策略。
1.2国内外研究现状
随着人们对环境污染的逐渐重视和发动机废气排放法规的日益严格，越来越多的研究致力于降低发动机尾气排放。废气再循环（EGR）能够降低发动机燃烧温度，从而降低NOX排放。为解决天然气发动机的NOX排放问题，国内外学者提出并进行了天然气发动机EGR的试验研究。其中：
2010年Amr Ibrahim和Saiful Bari[2]对一台增压点火式天然气发动机进行了EGR试验，结果表明：在EGR率为5%的情况下，NO降低大约12%的同时，由于其抑制了高进气压力的非正常燃烧，使发动机有效功率增加20%；
接着，Jennifer Wheeler和Joshua Stein[3]等人也对冷EGR下的当量比燃烧和稀薄燃烧进行了评估，结果也证明了EGR是一种降低天然气发动机NOx排放的有效途径；
吉林大学在此方面也做过相关研究，2014李玮峰[4]等人以一台涡轮增压天然气发动机为对象，分别添加CO2、N2和Ar来模拟EGR稀释进入缸内的可燃混合气，结果表明随着三种气体的添加，NOX排放呈线性减少趋势，而THC和CO略有增加；随后，李超[5]等人利用三维仿真软件STAR-CD模拟得出结论：随着EGR率和CO2掺混率的增加，NOx排放量逐渐降低，HC和CO排放量呈现增加的趋势。
由于天然气的稀燃能力较差且火焰传播速率较慢，而氢气的火焰传播速率相对较大，有较宽的可燃界限。天然气掺氢可使混合气的火焰传播速率提高，从而提高发动机的热效率，降低排放。对此也有人进行了相应的研究：
Mohand Said Lounici和Asma Boussadi[6]等人研究了在H2和天然气双燃料模式下发动机的动力性，在掺10%的氢气的BTE升高了12%，THC和CO排放增加，NOx也略有增加。
EGR和掺氢燃烧对天然气发动机有不同的的性能影响，在某些方面可以互补，因此对于两者的结合进行了大量的研究。
华中科技大学的武凯东的通过数值模拟研究得出：随着掺氢比的增加，着火提前，NO排放由于燃烧速度和燃烧等容度的变化影响有先增加后减少的趋势，掺氢会拓展发动机的失火界限。天然气掺氢发动机较高的EGR率能降低缸内燃烧温度和压力，减少NO排放，为发动机的低排放燃烧路径控制提供理论依据[7]。
西安交通大学也对天然气掺H2配合EGR进行了大量研究：姜雪[8]、王婕[9]等人分别对天然气掺氢再配合废气再循环进行了试验和模拟研究。研究结果表明，经济性随掺氢量的增大呈先增大后降低的趋势，但NOx排放将增加，引入EGR将使NOx排放得到降低，掺氢比例越大时效果越明显。同时，EGR会使HC和CO排放升高，掺氢可以降低HC和CO排放。当EGR率为10%、掺氢比例为20%时，综合性能达到最优。在此基础上，胡二江[10,11]等人研究了天然气掺氢配合EGR的燃烧特性。研究表明，在掺氢比例一定时，随着EGR率增大大，发动机的滞燃期和燃烧持续期增大。掺氢在滞燃期改善燃烧的作用明显，发动机IMEP的循环变动系数降低，加入氢气后在保证循环变动系数的前提下可以增大EGR率。EGR率越大，发动机掺氢后对降低循环变动系数越有效。
天然气发动机的HC排放高的一主要原因是废气中含有大量的未燃烧甲烷，同时这也使经济性变差。随着甲烷重整方法的发展，提出将天然气发动机的废气进行重整，然后再进入发动机进行燃烧。2017年，赵钧天利用Fluent软件对微通道反应器中天然气废气重整进行数值模拟，结果显示甲烷转化率将达到27.5％至65.5％[12]。钟绍华等[13]进行了天然气重整制氢发动机的可行性研究，证明了在某些方面重整气的效果比直接添加氢更好。
综上所述，近年来国内外对天然气发动机EGR、掺氢、掺氢配合EGR、天然气重整进行了大量研究，但较少涉及将天然气发动机废气重整得富氢气体后再引入发动机燃烧，故在此基础下提出废气重整再循环（REGR）的理念以改善发动机性能 并进行模拟试验研究。
2. 研究的基本内容与方案
2.1研究目标
本研究旨在探究利用REGR使一台满足排放二阶段标准的船用天然气发动机NOX排放达到排放控制区的国际排放标准（MARPOL公约Tier 3排放法规）的可行性，并同时降低HC排放、改善天然气发动机的经济性。试验将通过在一台船用天然气发动机（YC6MK200N-C20）上进行不同比例的H2、CO、N2的单一掺烧和组合掺烧，以模拟天然气发动机掺烧废气重整燃料。研究掺烧废气重整燃料对天然气发动机的燃烧特性和排放特性影响，探究天然气发动机掺烧废气重整燃料的控制策略，为重整器的结构设计提供依据。
2.2基本内容
（1）通过调研和查阅资料，了解YC6MK200N-C20天然气发动机结构、工作原理、性能特点；了解正在进行的科研项目（REGR）背景、主要研究内容和技术路线。了解天然气发动机废气（主要是甲烷）催化重整的机理、条件、重整燃料的主要成分等；
（2）搭建YC6MK200N-C20天然气发动机模拟掺烧废气重整燃料性能测试系统，确定测试方案。
（3）分别进行掺烧单一H2、CO、N2及其组合燃料对发动机性能影响试验，并对试验数据进行整理与分析，探究天然气发动机掺烧废气重整燃料控制策略。
2.3拟采用的技术方案及措施
2.3.1试验系统
试验系统包括：实验所用天然气发动机（YC6MK200NL-C20，其额定功率为147kW，额定转速为1500r/min）、测功机（江苏启测NW 320电涡流测功器）及测控系统（ECK500发动机测试控制系统）、天然气供给系统、H2、CO、N2供给系统、冷却系统及尾气排放分析系统（发动机废气排放分析仪CAI600）等，测试系统布置如下图1。
1-涡轮增压器 2-中冷器 3-节气门 4-天然气喷射阀组 5-天然气发动机 6-排放分析仪 7-火花塞 8-飞轮 9-转速传感器 10-电涡流测功器 11-ECU 12-天然气质量流量计 13-换热器 14-减压阀 15-截止阀 16-天然气储气罐 17-发动机测控仪 18-气体流量控制器组 19-N2储气罐 20-CO储气罐 21-N2储气罐 22-气体管路回火防止器 23-空气滤清器 24-混合器
图1测试系统图
试验采用增压机前总管进气掺烧，通过天然气流量控制器和H2、CO、N2流量控制器组控制掺烧比例，按推进特性运行。在固定工况点下（动力性不变）掺烧不同组分和比例的混合气，记录发动机天然气质量流量（经济性）、示功图（燃烧特性）、NOX、HC、CO排放（排放特性）。探究掺烧对发动机性能影响和最适掺烧比例。
2.3.2试验方案
试验方案如图2所示，具体试验步骤如下：
图2 实验方案流程图
（1）原机性能试验：按船舶推进特性E3循环运行（如表2），测试原LNG发动机各项性能参数，包括动力性（增压压力、过量空气系数、缸内压力）、经济性（燃气消耗率）和排放性（NOX、HC、CO排放）等参数。
| 试验循环 E3 | 转速 | 100% | 91% | 80% | 63% |
| 功率 | 100% | 75% | 50% | 25% | |
| 加权系数 | 0.2 | 0.5 | 0.15 | 0.15 |
表2 船舶推进特性E3循环
（2）开环试验：在不改变发动机过量空气系数、点火提前角脉谱图条件下进行试验。由E3循环可知，船舶推进特性下，75%功率下加权系数最大，这是因为船舶运行中此工况点运行最多，且在此工况下NOx排放较高，所以可以认为功率75%工况点是降低NOx排放和改善其他性能至关重要的一点。
发动机功率为75%，进行单一H2、CO、N2的掺烧，掺烧体积分数为：5%、10%、15%、20%、25%。记录发动机平均指示有效压力、燃料消耗率、NOX、HC、CO排放数据，总结单一掺烧对发动机性能影响规律，探究最合单一适掺烧比例。
在相同的试验条件下，根据单一气体掺烧时的规律，将H2、CO、N2按一定比例两两组合掺烧。记录发动机平均指示有效压力、燃料消耗率、NOX、HC、CO排放数据，探究组合掺烧时H2、CO、N2相互影响效果和最合适组合掺烧比例。
在相同的试验条件下，根据单一气体掺烧和两两组合掺烧时的规律，将H2、CO、N2按一定比例组合掺烧。记录发动机平均指示有效压力、燃料消耗率、NOX、HC、CO排放数据，探究组合掺烧时H2、CO、N2相互影响效果和最合适组合掺烧比例。
根据功率为75%工况点的性能，在25%、50%、100%功率的工况下，合理选择掺烧比例进行试验，最后按E3循环加权得出掺烧时NOX排放，验证是否能达到Tier 3排放法规。
（3）闭环试验：分别改变试验所用天然气发动机的原过量空气系数脉谱图或点火提前角脉谱图，根据开环试验结果选择合适掺烧比例，以不同的过量空气系数和点火提前角，按开环试验步骤，再进行不同工况下H2、CO、N2的单一掺烧和组合掺烧，探究在脉谱图改变情况下，发动机NOx排放情况，及发动机各项性能变化。
（4）整理整合所有实验数据，并利用合适的软件对数据进行分析处理，总结单一掺烧和组和掺烧对发动机性能的影响，得出最佳掺烧比例。
3. 研究计划与安排
第一周：熟悉任务，文献调研，了解项目背景；
第二周：完成文献综述报告，构思技术方案；
第三周：完成开题报告；
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 周松,肖友洪,朱元清.内燃机排放与污染控制[m].北京：北京航空航天大学出版社,2010:178-190.
[2] amr ibrahim,saiful bari.an experimental investigation on the use of egr in a supercharged natural gas si engine[j].fuel,2010, 89(7):1721-1730.
[3] jennifer wheeler,joshua stein,gary hunter.effects of charge motion,compression ratio,and dilution on a medium duty natural gas single cylinder research engine[c].sae int. j.engines 7(4):1650-1664,2014.
