甲烷掺氢稀释燃烧的燃烧及排放特性试验

陈 雷，王彦滑,马洪安，曾 文，宋 鹏

(1.沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136；2.大连理工大学 内燃机研究所，辽宁 大连 116024； 3.大连民族学院 机电信息工程学院，辽宁 大连 116605)

甲烷掺氢稀释燃烧的燃烧及排放特性试验

陈 雷1,2，王彦滑1,马洪安1，曾 文1，宋 鹏3

(1.沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136；2.大连理工大学 内燃机研究所，辽宁 大连 116024； 3.大连民族学院 机电信息工程学院，辽宁 大连 116605)

在一台转速固定的火花点火发动机上进行了CO2稀释对H2-CH4混合燃料燃烧及排放性能影响的试验研究。结果表明，在一定F.D.R.和H.S.R.范围内，稀释燃烧对BMEP和热效率影响不大，NOX排放量则明显下降。在较高F.D.R.条件下BMEP、热效率、THC以及CO排放均有所恶化，但在一定的F.D.R.条件下仍能够建立起较大的以热效率和NOX排放为依据的甲烷掺氢稀释燃烧理想燃料条件范围。

稀释燃烧;氢气;甲烷;NOX排放

近年来，CH4掺氢由于综合了H2燃烧清洁和天然气储量丰富的优点，被研究者广泛的认为是一种很有应用潜力的发动机替代燃料。和CH4相比，H2的燃烧速度快，点火能量小[1]，所以CH4掺氢燃烧具有提高发动机的热效率，降低循环变动，改善污染物排放的潜力。因此，CH4掺氢燃烧具有重要的研究意义。

国内外许多学者针对CH4掺氢燃烧的燃烧及排放性能进行了一系列的研究工作。在国内，黄佐华[2-4]团队围绕天然气掺氢发动机的燃烧进行了一系列研究。他们发现天然气掺氢燃烧可以使CO和UHC排放降低，而且可以提高发动机稀燃能力，降低稀燃条件下发动机的循环变动。马凡华[5]团队在一台6缸天然气发动机上进行了掺氢比分别为30%和50%的CH4掺氢燃烧试验，并发现掺氢在很大的过量空气系数范围内提高了热效率。许健[6]等采用实验研究的手段，在一台火花点火发动机上研究了天然气掺二氧化碳混合燃料的循环变动特性。在国外，Akansu[7]在一台四缸发动机上进行了掺氢比分别为0，10%，20%和30%的甲烷掺氢燃烧试验。他们发现，由于H2的低热值高于CH4，因此随着掺氢量的增加NO排放有所升高。Mohammed[8]在一台压燃发动机上研究了点火提前角对掺有少量H2(掺氢比分别为0、3%、5%和8%)的天然气发动机燃烧及排放性能的影响，并发现在相同点火提前角条件下随着掺氢比的增加，BMEP和功率都有所升高，燃烧持续期缩短，THC、CO和CO2排放均有所下降，但NOX排放升高。2012年，Park[9]在一台火花点火发动机上进行了掺氢比为10%～40%的天然气掺氢燃烧试验研究。研究结果表明，随着掺氢比的升高，发动机的循环变动下降，THC、CO和CO2排放下降，NOX排放上升。Zhang[10]、Silyaba[11]分别研究了掺氢对CNG燃烧过程的影响。

根据以上文献，虽然掺氢能够提高CH4发动机的热效率，改善CO和THC排放，但却普遍面临NOX排放升高这一问题；而在这些文献中，这一问题并没有得到解决。而且，找到以一定经济性、排放性指标为依据的理想燃料混合比和当量比范围，对于气体燃料发动机的应用有着重要的意义，而这一方面的研究在现有文献中更是鲜有涉及。因此，为了改善甲烷掺氢燃烧中NOX排放水平并找到其理想燃料条件，本文进行了CO2稀释对甲烷掺氢发动机燃烧与排放性能影响的试验研究。

表1 发动机主要参数表

1 试验装置及相关参数定义

本试验所采用的发动机是在农村地区广泛使用的本田GX340汽油机，试验装置和试验方法均与前期研究类似，并在前文中已有详细介绍[12-14]。在本试验中，掺氢比范围为0～80%，当量比范围为0.2～1.0。表1所示为本研究所采用的发动机主要参数。试验系统图如图1所示，CH4、H2、CO2分别储存于高压气瓶中，并在图中所示的进气混合腔中与空气混合。

图1 试验系统简图

由于H2和CO2在混合气中的体积分数对于燃烧有着很大的影响，为了便于分析，参照前期研究中的方法[10]本文中给出以下两个定义。

(1)掺氢比(H2Substitution Ratio，H.S.R.)

掺氢比是ΦH2与ΦH2+ΦCH4的比值，如公式(1)所示。

(1)

(2)稀释率(Fuel Dilution Ratio，F.D.R.)

稀释率是CO2的摩尔数与燃料-CO2总摩尔数的比值，如公式(2)所示。

(2)

2 试验结果与分析

在前期研究“甲烷掺氢燃烧试验”的基础上，在每一组燃料条件下逐渐掺入CO2，考查CO2稀释对燃烧及排放性能的影响。φ和F.D.R.的变化范围分别是0.4～1.0以及0～0.7[15]。

图2所示是F.D.R.对BMEP以及COVIMEP的影响，其中图中虚线表示的是热投入量的变化情况。随着H.S.R.的增加，BMEP和热投入量均有所下降。从图中可以看到，在F.D.R.较小时热投入量和BMEP之间并没有太明显区别，在相同条件下COVIMEP也较低；而在F.D.R.较高时与热投入量相比BMEP明显较低，而COVIMEP也较其他条件时明显升高。在最小当量比及H.S.R.条件下，BMEP和热投入量的差别以及COVIMEP的恶化最为明显。这种情况在前期研究[10]中已经详细的分析过，是由于在较低当量比及较高F.D.R.条件下发生部分燃烧而造成的。但是与H2-CO混合燃烧[10]相比，在H2-CH4稀释燃烧中BMEP和热投入量存在明显差别的燃料条件较少，与此对应的COVIMEP较高的工况点也较少。这说明H2-CH4混合燃料燃烧比H2-CO具有更好的燃烧特性。

图2 F.D.R.对BMEP和COVIMEP的影响

图3所示为BMEP-COVIMEP以及初燃期-COVIMEP的关系。和H2-CO稀释燃烧类似[10]，这两幅图也分别显示出正常燃烧和部分燃烧区域。和H2-CO稀释燃烧相比，H2-CH4稀释燃烧中只有在较小φ及H.S.R.的条件下才发生部分燃烧；这揭示了在较高F.D.R.条件时CH4的燃烧稳定性比CO更好。

图4表示的是F.D.R.对有效热效率和燃烧持续期的影响。如图所示，除φ=0.4-H.S.R.=25%以外，有效热效率在每一个φ条件下都只在F.D.R.=0.7时才有较明显下降。这是与图3中的两个区域是相对应的。随着F.D.R.的增加，热投入量减少，从而导致燃烧速度降低，因此在所有φ条件下主燃期随着F.D.R.的增加而上升。这导致了燃烧等容度的下降，从而改善有效热效率。当F.D.R.<0.4时，有效热效率几乎没有变化。这对于在不牺牲发动机经济性的条件下降低NOX排放有着重要意义。

图3 BMEP-COVIMEP以及初燃期-COVIMEP的关系

图4 F.D.R.对有效热效率和主燃期的影响

稀释对于NOX、THC和CO排放的影响如图5所示。当φ<0.8时，由于燃烧温度较低，因此在大部分条件下NOX排放都很低。当φ≥0.8时，较高的燃烧温度导致NOX排放远高于其他φ条件。随着F.D.R增加，热投入量降低，因此NOX排放显著下降。这一变化趋势和H2-CO稀释燃烧类似，但由于燃烧温度不同，H2-CH4燃烧的NOX排放更低。值得注意的是，当φ<0.8时各个F.D.R条件下的NOX排放均较低。参照有效热效率的结果，能够以NOX排放和有效热效率为依据确定H2-CH4燃烧的最佳燃料条件范围。

图5 F.D.R.对NOX,THC和CO排放的影响

随着F.D.R.的增加，CH4的投入量减少，从这一点看THC的排放应该有所下降。但如图5所示，每一个φ条件下F.D.R.=0.7时的THC排放都要比其他F.D.R.条件的高，而当φ=0.4-H.S.R.=25%时，随着F.D.R.的增加THC排放一直上升。与图3对比发现，THC排放较高的区域与部分燃烧区域相吻合，因此在相应燃料条件下较高的THC排放是由于发生部分燃烧而造成的。与此同时，随着F.D.R.的增加燃烧温度势必下降，这会导致淬熄距离的增加。这一因素也会导致THC排放升高。

φ对CO排放起着主导作用，所以在化学计量比条件下CO排放最高。随着F.D.R.的增加，热投入量的减小会导致燃烧效率的下降，所以在任意φ条件下CO排放均随着F.D.R.的增加而升高。

综合考虑有效热效率和NOX排放，采用与前期研究相同的方法，能够建立以φCH4、φH2、H.S.R.和F.D.R.条件为指标的CH4发动机掺氢稀释燃烧适宜燃料条件范围，如表2所示。

表2 理想燃料条件

3 结 论

(1)在一定H.S.R.及F.D.R.范围内，随着F.D.R.的增加发动机BMEP、COVIMEP、热效率、THC及CO排放变化不大，NOX排放量则明显降低。

(2)在较高F.D.R.条件下BMEP、有效热效率、THC和CO均有所恶化，但在一定的F.D.R.及H.S.R.条件下仍能够建立起较大的以热效率和NOX排放为依据的甲烷掺氢稀释燃烧理想燃料条件范围。

(3)CO2导致了部分燃烧，但是与H2-CO燃烧相比，CH4-H2燃烧中发生部分燃烧的工况点更少。

[1]Elbe,L.Combustion,flames and explosions of gases,3rd[M].1987.

[2]黄彬,胡二江,黄佐华,等.火花点火天然气掺氢发动机结合EGR时的循环变动规律[J].内燃机学报,2011,29(1):16-22.

[3]苗海燕,焦琦,黄佐华,等.稀释气对掺氢天然气层流预混燃烧火焰稳定性的影响[J].燃烧科学与技术,2010,16(3):220-224.

[4]Miao HY,Lu L,Huang Z.Flammability limits of hydrogen-enriched natural gas.Hydrogen energy,2011,36(11):6937-6947.

[5]马凡华,王宇,汪俊君,等.过量空气系数对HCNG发动机燃烧排放的影响[J].清华大学学报(自然科学版),2008,48(8):1340-1343.

[6]许健，张欣，刘建华，等.发动机燃用天然气掺二氧化碳混合燃料的循环变动试验研究[J].内燃机工程,2011,32(3):12-17,22.

[7]Akansu SO,Kahraman N,Ceper B.Experimental study on a spark ignition engine fuelled by methane-hydrogen mixtures,International Journal of Hydrogen Energy,2007(32):4279-4284.

[8]Mohammed S,Baharom M,Aziz A,Firmansyah.The effects of fuel-injection timing at medium injection pressure on the engine characteristics and emissions of a CNG-DI engine fueled by a small amount of hydrogen in CNG.Hydrogen Energy,2011,36(18):11997-12006.

[9]Park C,Kim C,Choi Y.Power output characteristics of hydrogen-natural gas blend fuel engine at different compression ratios.Hydrogen Energy,(2012),doi:10.1016/j.ijhydene,2012(2):52.

[10]Zhang H,Han X,Yao B,et al.Study on the effect of engine operation parameters on cyclic combustion variations and correlation coefficient between the pressure-related parameters of a CNG engine.Applied Energy,2013(104):992-1002.

[11]Silvana I,Paolo S,Bianca V.Experimental investigation on the combustion process in a spark ignition optically accessible engine fueled with methane/hydrogen blends.Hydrogen Energy,2014(39):9808-9823.

[12]Shiina R,Araki M,Chen L,et al.Performance and emissions of a spark-ignition engine fuelled with lower calorific gases(basic combustion characteristics of individual gas component),Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,2008,74(748):2684-2689.

[13]Chen L,Shiina R,Araki M.Effect of CO2Dilution on the Combustion Characteristics of a Spark-Ignition Engine Fuelled with Individual Component of Bio-Gas.Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,2010(10):1629-1636.

[14]陈雷，荒木幹也，志贺聖一，等.生物质燃气各组分气体燃烧与排放特性试验[J].农业机械学报，2013，44(5)：31-34.

[15]Chen L,Shiga S,Araki M.Combustion Characteristics of an SI Engine Fueled with H2-CO blended fuel and Diluted by CO2.International Journal of Hydrogen Energy,2012(37):14632-14639.

(责任编辑：吴萍 英文审校：刘红江)

ExperimentalresearchofcombustionandemissioncharacteristicsofCH4-H2blendedfuelwithCO2dilution

CHEN Lei1,2,WANG Yan-hua1,MA Hong-an1,ZENG Wen1,SONG Peng3

(1.Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136，China;2.Institute of Internal Combustion Engine,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 3.College of Electromechanical & Information Engineering,Dalian Nationalities University,Dalian,116605,China)

The paper focuses on the effect of CO2dilution on CH4-H2blended combustion in a spark-ignition engine at the speed of 1 500 rpm.The results show that in a certain range of F.D.R.and H.S.R.,dilution has little effect on BMEP and brake thermal efficiency,and NOXemissions decrease significantly.Under high F.D.R.conditions,BMEP,brake thermal efficiency,THC and CO emissions all get worse.However,in a certain range of F.D.R.ideal fuel conditions can be obtained on the basis of brake thermal efficiency and NOXemission.

dilution combustion;H2;CH4;NOXemission

2014-05-30

国家自然科学基金(项目编号：51409158)；中国博士后基金资助项目(项目编号：2014M551078)

陈雷(1981-)，男，辽宁铁岭人，讲师，主要研究方向：从事内燃机代用燃料、内燃机高能点火技术等，E-mail：cl_officer1981@hotmail.com。

2095-1248(2014)04-0012-05

TK43

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.003