魏觀林

廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，中國·廣東 惠州 516363

1 引言

汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展不但加速了能源消耗，也為生態(tài)環(huán)境帶來了不良影響。因此，天然氣這種綠色能源的開發(fā)與利于，愈來愈受到人們關(guān)注，天然氣燃燒時(shí)熱量利用率高，是一種高熱值能源[1]。除此之外，天燃?xì)馓己康?，汽車使用天然氣能源能夠有效降低碳排放量。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比，使用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)煙塵顆粒的排放量幾乎為零，與此同時(shí)氮氧化合物、碳氧化合物以及碳?xì)浠衔锏呐欧帕恳裁黠@降低。而氫氣作為能源，點(diǎn)燃后廢氣排放僅有氮氧化合物，并且氫非常容易再造，是最理想的清潔能源。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)構(gòu)成

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用以濰坊發(fā)動(dòng)機(jī)廠生產(chǎn)的WT615 型發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)機(jī)型，對(duì)進(jìn)氣道展開了更新改造，取消燃油噴射系統(tǒng)軟件，裝上點(diǎn)火系統(tǒng)軟件。燃料提供系統(tǒng)軟件按分壓電路規(guī)律性在高壓缸內(nèi)預(yù)混，采用進(jìn)氣口噴射方法。

為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)更新改造環(huán)節(jié)中，因?yàn)閼?yīng)用燃料造成充氣效率降低和稀薄燃燒情況下，所導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)力性能降低的問題，在進(jìn)氣道中增強(qiáng)了渦輪增壓，在渦輪增壓的基礎(chǔ)上，安裝了增加空氣中的降溫系統(tǒng)，提升了充氣效率，減少了點(diǎn)燃前期汽缸里的平均氣溫。除此之外，將電子節(jié)氣門安裝在進(jìn)氣管之上，發(fā)動(dòng)機(jī)通過負(fù)載控制方式從原來的發(fā)動(dòng)機(jī)“變質(zhì)調(diào)整”改成“可變性調(diào)整”，以便于更精確的調(diào)節(jié)空燃比，采用電機(jī)控制多點(diǎn)次序噴射系統(tǒng)，精確掌握不同汽缸內(nèi)供氣量和噴射起始點(diǎn)[2]。高能點(diǎn)火自動(dòng)控制系統(tǒng)是為保證HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)具備充足的點(diǎn)火動(dòng)能和可信賴的點(diǎn)火性性能而為其量身定做的點(diǎn)火控制系統(tǒng)。

電控系統(tǒng)ECU 由實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)和標(biāo)定，能夠?qū)c(diǎn)火提前角和噴射脈寬進(jìn)行在線修改和標(biāo)定[3]。此次實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)用的燃料為北京市昌平中化道達(dá)爾加氣站的天燃?xì)猓淄闅怏w容積大約為87.97%，發(fā)熱量大約為42 MJ/m3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 動(dòng)力性分析

實(shí)驗(yàn)選用CB-466 多路汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測儀精確測量缸內(nèi)壓力。圖1可以清晰展現(xiàn)出純天然氣和摻氫天然氣（氫氣容積20%）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)均保證汽車轉(zhuǎn)速為1400 r/min、節(jié)氣門開度為20%，由此對(duì)比最大的壓力和曲軸轉(zhuǎn)角。從圖1能夠明確得知，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃天然氣摻氫燃料時(shí)，最大爆發(fā)壓力遠(yuǎn)高于僅采用純天然氣燃料，天然氣摻氫燃料與天然氣對(duì)比，最大壓力提升近20%，最大壓力點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前了3 °CA。試驗(yàn)結(jié)果顯示，氫氣容積發(fā)熱量比較低，天然氣燃料添加氫氣降低了充氣效率，但在添加一定量氫氣后依然能顯著加速缸內(nèi)燃燒的傳播速率和燃燒速度，減少點(diǎn)燃期壓力，促進(jìn)壓力曲線圖在最高處前行，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率性能。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)示功對(duì)比圖

如圖2所示，天然氣和氫氣（氫氣容積20%）在1400 r/min 的不一樣負(fù)荷情況下的較大壓力pmx 和最大壓力增加率（dP）max 的曲線。從下圖可以清晰得知，天氣熱摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷范圍內(nèi)壓力比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)高，小負(fù)荷中的較大壓力上升幅度貼近天然氣，但大負(fù)荷時(shí)差距較大，不一樣負(fù)荷下氫氣的體積比為20%，而負(fù)荷與氫氣的絕對(duì)數(shù)量成正比，當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)絕對(duì)數(shù)量也相應(yīng)降低，此時(shí)改進(jìn)水平不明顯；反之負(fù)荷提高時(shí)，氫氣的絕對(duì)數(shù)量隨之提升，充分顯示了摻氫燃料加快和提升缸內(nèi)燃燒現(xiàn)象的功效，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓力升高率對(duì)比

3.2 排放性能對(duì)比分析

在汽車轉(zhuǎn)速為1400 r/min 的不同負(fù)載環(huán)境下，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)使用天然氣摻氫燃料和天然氣燃料的排放對(duì)比。

3.2.1 一氧化碳

圖3表明了一氧化碳排放量的對(duì)比情況。由圖3可知，摻氫天然氣在燃燒后，在50～110 kW 范圍內(nèi)，一氧化碳排放量明顯下降，最高降幅可達(dá)50%。但是120～140 kW 范圍內(nèi)，摻氫天然氣與天然氣一氧化碳排放量相仿。導(dǎo)致排放量不同的主要原因是，在小功率范圍內(nèi)，摻氫天然氣缸體部分溫度依然比較低，導(dǎo)致局部燃燒不完整生成一氧化碳；在長時(shí)間大功率氛圍內(nèi)下，摻氫天然氣裂化后缸體燃燒溫度逐步提高高，使得部分燃燒產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳發(fā)生分解反應(yīng)生成一氧化碳；與此同時(shí)，缸體的壓力提升將更多沒有完全燃燒的物質(zhì)送入空隙，使一氧化碳排放量略微提升。一般來說，摻氫天氣的的燃燒傳播速率更快，能夠有效減少總?cè)紵芷?，推?dòng)一氧化碳再次被氧化，但氫氣自身不含碳量也是一氧化碳排放量下降的主要原因之一。

圖3 一氧化碳排放對(duì)比圖

3.2.2 二氧化碳

圖4展示了二氧化碳排放對(duì)比。根據(jù)摻氫天然氣與天然氣二氧化碳排放對(duì)比圖可知，摻氫天然氣燃燒后二氧化碳排放量明顯降低，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的根本原因是天然氣中加入的氫氣燃燒也不會(huì)額外造成二氧化碳的生產(chǎn)，因此，在實(shí)驗(yàn)0～140 kW 范圍之內(nèi)二氧化碳的排放量都呈下降趨勢。

圖4 二氧化碳排放對(duì)比圖

3.2.3 碳?xì)浠衔?/p>

圖5展現(xiàn)了碳?xì)浠衔锱欧帕康膶?duì)比曲線。由圖可知，碳?xì)浠衔锏呐欧帕棵黠@下降，最大降幅可達(dá)32.4%，導(dǎo)致這一現(xiàn)象，發(fā)生的主要原因是摻氫天燃?xì)鈺?huì)加速預(yù)混火苗的快速傳播，減少燃燒延續(xù)時(shí)間，碳?xì)浠衔飼?huì)有更多時(shí)間開展氧化還原反應(yīng)；摻氫天然氣經(jīng)過裂化反應(yīng)后缸體溫度上升，推動(dòng)了碳?xì)浠衔锇l(fā)生氧化還原反應(yīng)；摻氫天然氣是火焰熄滅趨向降低，熄滅間距相對(duì)應(yīng)降低，空隙內(nèi)一部分碳?xì)浠衔锉豢諝庋趸?；即便氫氣自身燃燒也不?huì)造成碳?xì)浠衔铮且彩翘細(xì)浠衔锱欧帕拷档偷脑蛑弧?/p>

圖5 碳?xì)浠衔锱欧艑?duì)比圖

3.2.4 氮氧化合物

圖6展現(xiàn)了氮氧化合物排放的對(duì)比曲線。摻氫天然氣燃燒時(shí)，氮氧化合物排放量高于純天燃?xì)馊紵?，尤其是?fù)載較大時(shí)，最高提升量為25%。主要是因?yàn)閾綒涮鞖馊紵磻?yīng)速率使化合物的燃燒溫度升高，達(dá)到氮氧化合物排放標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)了氮氧化合物排放量。

圖6 氮氧化合物排放對(duì)比圖

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度比較

在摻氫天然氣與天然氣兩種燃料排氣管溫度均值的對(duì)比之下，可以得知，天然氣摻氫后，補(bǔ)燃溫度降低，其根本原因是氫氣使得燃燒速度更快，摻氫天然氣的燃燒速度更快，補(bǔ)燃比例和排氣管溫度均降低。由此可知，添加一定量的氫氣能夠有效緩解天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況，減少汽車發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)排氣閥和增壓機(jī)里的耗熱量。

4 過量空氣系數(shù)的影響

本次關(guān)于摻氫天氣燃?xì)獾奶接懓l(fā)現(xiàn)天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系數(shù)由136 提升至1.73，這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能和排放特性受到影響。實(shí)驗(yàn)中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度不變，根據(jù)調(diào)整噴涌脈寬來調(diào)節(jié)空氣系數(shù)的改變。

通過測量天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)在1400 r/min 的部分負(fù)載下，發(fā)動(dòng)機(jī)性能伴隨著空氣系數(shù)的提高而改變。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得知，在1.366～1.732 的燃燒范圍之內(nèi)，當(dāng)過量空氣系數(shù)超出1.44 時(shí)，轉(zhuǎn)距和輸出功率降低幅度較大，最高降低比為21%。當(dāng)輸出功率為48.16 kW、扭距為329 N.m 時(shí)，過量空氣系數(shù)為1.73 的純?nèi)細(xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)測出的信息對(duì)比，功率和扭矩值基本一致，但汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能平穩(wěn)輸出功率，其較稀燃燒極限值顯著提升。如果天然氣過來空氣系數(shù)超出1.5 時(shí)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)將不能穩(wěn)定的工作，氮氧化合物排放量大幅降低，最高降低與原排放量之比為1 ∶9，二氧化碳排放量也緩慢降低。但是，在過濾空氣系數(shù)為1.366～1.732 的燃燒范圍之內(nèi)，一氧化碳和碳?xì)浠衔镆蔡幱谳^稀燃燒情況，因此排放量會(huì)發(fā)生局部范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變。碳?xì)浠衔镎w呈逐步上漲趨勢，當(dāng)空氣系數(shù)為1.4 時(shí)排放最少，當(dāng)空氣系數(shù)為1.55 時(shí)排放量最大。因此，在經(jīng)過天然氣摻氫后會(huì)大幅度改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃特性、擴(kuò)張稀燃極限，與此同時(shí)達(dá)到大幅降低氮氧化合物的排放效果。

5 結(jié)語

①發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒摻氫能源時(shí)，缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃铀伲敵龉β试龃?，缸?nèi)溫度升高。

②發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒摻氫能源時(shí)，碳?xì)浠衔?、碳氧化合物的排出量?huì)降低，但氮氧化合物排出量也增加，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷量較大的情況下。

③發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒用摻氫后，燃燒重點(diǎn)往前移動(dòng)，排氣管溫度下降。

④當(dāng)HCNG 發(fā)動(dòng)機(jī)在過量空氣系數(shù)提升超出一定值后，輸出功率下降，氮氧化合物排放量大幅度下降，但碳?xì)浠衔锱欧帕柯晕⑻嵘?/p>