掺水燃烧对天然气发动机排放性的影响机理研究.pdf
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1、内燃机与配件w w w n r j p j c n设计研究掺水燃烧对天然气发动机排放性的影响机理研究秦启超,陈友鹏(广州南洋理工职业学院,广东 广州 )摘要:掺水燃烧是稀薄燃烧天然气发动机用于减少排放污染物NO x的有效方法之一.基于水的热力特性及天然气燃烧特性对天然气掺水燃烧过程中污染物生成的机理进行了分析;并基于实验数据对进气管水喷射下稀薄燃烧天然气发动机主要排放污染物进行了测量.研究表明:掺水燃烧过程中,发动机缸内温度大幅下降,有效抑制了热力型NO的生成.水在参与燃烧过程中生成大量OH基有效抑制了快速型NO的生成.在转速 r p m、水喷射量 g/s下,NO x下降 .掺水燃烧过程产生的
2、OH基同时有效促进了C O氧化生成C O.在转速 r p m、水喷射量 g/s时,C O减少 .关键词:稀薄燃烧;天然气发动机;掺水燃烧;排放污染中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()S t u d yo nI n f l u e n c eM e c h a n i s mo fW a t e rB l e n d e dC o m b u s t i o no nE m i s s i o n so faN a t u r a lG a sE n g i n eQ i nQ i c h a o,C h e nY o u p e n g(G u a n g z h o uN a n
3、y a n gP o l y t e c h n i cC o l l e g e,G u a n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:W a t e rB l e n d e dC o m b u s t i o n i so n eo f t h e e f f e c t i v em e t h o d s f o rL e a n b u r nn a t u r a l g a se n g i n e s t or e d u c ee m i s s i o n so fN O x B a s e do nt h et h e r m a
4、lc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e ra n dt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lg a s,t h em e c h a n i s mo f p o l l u t a n t g e n e r a t i o nd u r i n g t h e c o m b u s t i o np r o c e s s o f n a t u r a l g a sm i x e dw i t hw a t e rw a s a n a l y
5、z e d;B a s e do nt h e e x p e r i m e n t a l d a t a,t h em a i ne m i s s i o n so fL e a n b u r nn a t u r a lg a se n g i n ew i t h i n t a k ep i p eW a t e rB l e n d e dC o m b u s t i o nw e r em e a s u r e d R e s e a r c hh a ss h o w nt h a td u r i n gt h ec o m b u s t i o np r o c
6、 e s sw i t hw a t e r,t h e t e m p e r a t u r e i n s i d e t h ee n g i n ec y l i n d e rs i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e s,e f f e c t i v e l ys u p p r e s s i n gt h eg e n e r a t i o no ft h e r m a lt y p eN OD u r i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s s,w a t e rg e n e r a t
7、 e s a l a r g e n u m b e r o fOHg r o u p s,e f f e c t i v e l y s u p p r e s s i n g t h e g e n e r a t i o no f r a p i dN O A t a s p e e do f r p ma n daw a t e r i n j e c t i o n r a t e o f g/s,N O xd e c r e a s e db y T h eOHg r o u pg e n e r a t e dd u r i n g t h e c o m b u s t i o
8、 np r o c e s so fm i x i n gw a t e r e f f e c t i v e l yp r o m o t e s t h e o x i d a t i o no fC Ot og e n e r a t eC O A t a s p e e do f r p ma n daw a t e r i n j e c t i o nr a t eo f g/s,C Od e c r e a s e sb y K e yw o r d s:L e a nb u r n;N a t u r a l g a se n g i n e;W a t e rb l e n
9、 d e dc o m b u s t i o n;E m i s s i o np o l l u t i o n基金项目:广东省普通高校重点领域专项(智能制造)项目“电动汽车动力电池组热管理用高导热阻燃凝胶应用研究”(项目编号 Z D Z X )通讯作者:秦启超(),男,汉族,山东菏泽人,讲师,研究生,研究方向:汽车技术.作者简介:陈友鹏(),男,汉族,湖南岳阳人,副教授,本科,研究方向:汽车技术.使用替代燃料是当前解决常规燃料发动机导致的环境污染、能源危机等问题的有效途径之一.目前发动机替代燃料种类繁多,包括天然气、液化石油气、二甲醚等.其中,天然气具有资源丰富、价格低廉等优点,被认为是
10、当前最具应用前景的发动机替代燃料之一.随着当前排放标准的日益严苛,进一步减少排放量是当前天然气发动机研究领域的热点及难点.目前天然气发动机采用的排放控制技术路线主要包括:稀薄燃烧和当量比燃烧两种.相比当量比燃烧,天然气发动机采用稀薄燃烧具有热效率高、经济性好、热负荷低等优点,是当前天然气发动机采用的主要排放控制技术路线.但是,由于无法采用三元催化转化器,稀薄燃烧天然气发动机存在N O x排放高的问题,是当前制约稀薄燃烧天然气发动机发展及应用的主要瓶颈问题.针对稀薄燃烧天然气发动机N O x排放问题,目前国内外所采用主要控制方法包括:选择性催化还原(S C R,s e l e c t i v e
11、c a t a l y t i c r e d u c t i o n)和废气再循环(E G R,e x h a u s tg a s r e c i r c u l a t i o n).S C R是发动 机N O x排 放 后 处 理 的 主 要 技 术 之 一.S C R能够较好的减少N O x排放量,但是存在系统复杂、使用成本高等问题.E G R通过将部分排气重新引入缸内,从而降低缸内最高燃烧温度并稀释缸内氧气的浓度,进而抑制N O x排放的生成.E G R能够有效地减少N O x排放的生成量,但是会同时导致发动机H C排放以及动力性、经济性的恶化.掺水燃烧同样是减少发动机N O x排
12、放的有效方法之一,在常规燃料发动机上获得了广泛地研究.目前发动机常用的掺水燃烧方式主要包括乳化燃油和水喷射.其中,乳化燃油需要提前制备水与燃油的乳化溶液,主要针对柴油发动机.水喷射不局限于发动机形式,更具应用 年第 期的灵活性.对于水喷射,根据位置的不同可以分为进气系统水喷射和缸内水直喷两种形式.国内外学者针对水喷射对发动机排放性影响的研究方面,W e iM i n g r u i等人 针对汽油机由于压缩比增加而导致N O x排放升高的问题,采用C F D仿真方法对缸内水直喷对汽油机的排放性能影响进行研究.结果表明:缸内水直 喷 有 效 地 减 少 了 发 动 机N O x以 及 碳 烟 排
13、放.T a g h a v i f a r等人 针对氢发动机N O x排放较高的问题,同样采用C F D仿真的方法,对缸内水直喷对氢发动机排放性的影响进行了研究.研究结果表明:在水氢比例为,水温 时,氢发动机的排放性达到最佳.T e s f a等人 针对生物柴油发动机N O x排放高的问题,对进气歧管水喷射对生物柴油发动机排放性能的影响进行了实验研究.实验结果表明,在喷水量为 k g/h时,发动机N O x排放减少.T a u z i a等人 针对柴油机N O x排放问题,对进气入口水喷射对柴油机排放性的影响进行了实验研究并与E G R进行了对比.结果表明,在水油比为 范围内,可以有效减少 以
14、上的N O x排放.相比E G R,水喷射对于减少N O x排放具有更明显的优势.综上所述,目前国内外对于掺水燃烧在发动机上的应用研究主要集中在常规燃料发动机,对于掺水燃烧在天然气发动机上的应用研究相对较少.掺水燃烧对天然气发动机排放性的影响尚不明确;同时,目前研究主要通过仿真或者实验从宏观上获得掺水燃烧对发动机排放的影响结果,缺乏掺水燃烧对发动机排放污染物生成影响机理的分析,难以揭示水喷射对发动机排放性影响的本质.为减少天然气发动机N O x的排放量,本文对掺水燃烧对天然气发动机排放性的影响进行了研究.一方面,基于水的热力性质以及天然气燃烧的化学动力学反应机理,对掺水燃烧对天然气发动机排放生
15、成的影响机理进行了分析;其次,基于发动机实验系统,对进气管水雾喷射对天然气发动机在不同转速工况下的主要排放污染物N O x、C O以及HC排放进行了实验测量及分析.机理分析为更好的分析和理解掺水燃烧对天然气发动机排放特性影响的机理,对水喷射对发动机缸内热力过程以及混合气燃烧化学动力学反应机理两方面的影响进行了分析.掺水燃烧对热力过程的影响水雾在进入发动机缸内后,液态水在缸内的高温作用下,最终转化为过热蒸汽,如图所示.根据水的沸点温度Tb,将水雾吸热过程分为三个阶段.图水进入缸内的变化过程()水温低于沸点温度时,即TwTb,液态水快速升温,该阶段水的吸热量Qw为:Qwcwmw(TwT)()其中,
16、mw为水的喷射质量;cw为液态水的比热容;Tw为水的温度;T为水喷射时的温度.()水温达到沸点温度时,即TwTb,液态水开始沸腾并快速蒸发,由液态转变为气态发生相变,该阶段水相变后的吸热量Qw为:Qwhwmw e()其中,hw为水的蒸发潜热;mw e为水的蒸发质量.()水温高于沸点温度时,即TbTw,液态水完全汽化为蒸汽,蒸汽在高温的作用下继续升温变为过热蒸汽,该阶段蒸汽的吸热量为:Qwcw gmw(TeTb)()式中,cw g为水蒸气的比热容;Te为过热蒸汽的最终温度.因此,水雾在进入发动机缸内后,总的吸热量为:QwQwQwQw()Qwcwmw(TbT)hwmwcw gmw(TeTb)()假
17、设天然气在发动机缸内的燃烧放热量保持不变,采用掺水燃烧后,将导致整个热力循环过程中发动机缸内燃烧温度的下降.如图所示为通过商业发动机性能分析软件G T p o w e r获得的天然气发动机在转速为 r p m、点火提前角为 C A、过量空气系数为 、进气管水喷射量为 g/s下的缸内温度与原机的对比结果.由图可知,采用进气管水喷射后,天然气发动机缸内温度显著下降.图掺水燃烧对天然气发动机缸内温度的影响 掺水燃烧对化学动力学反应的影响掺水燃烧后发动机排放性能变化的根本原因在于水对排放污染物生成的相关化学动力学反应的影响,即水对天然气/空气高温燃烧过程的影响.天然气的主要成分为甲烷,因此,甲烷/空气
18、的燃烧机理能够有效地反映天然气/空气燃烧的机理.目前对于甲烷燃烧机理反映最全面的是G R Im e s h 机理,包含 个组分和 个基元反应.根据G R Im e s h 机理,水在高温下会与甲烷燃烧过程中产生的H、O自由基发生反应:HOHOHH()HOOOHOH()从而在消耗H、O自由基的同时生成大量的OH基活性物质.OH基是热力型N O生成的重要活性物质,同时也是促进C O消耗反应的重要物质.()掺水燃烧对N O x生成的影响天然气在发动机缸内燃烧所生成的N O x为N O、N O内燃机与配件w w w n r j p j c n以及NO等,其 中N O为N O x的 主 要 成 分,并
19、且 其 他N O x是通过N O的进一步反应而生成.由于天然气组成元素中基本不含有N元素,因此,天然气发动机缸内所生成的N O主要为热力型N O和快速性N O.根据热力型N O生成的泽尔多维奇机理:NN ONO()NON OO()NOHHN O()对于掺水燃烧,水参与化学反应所产生的大量OH基是有利于热力型N O的生成.但是,由于泽尔多维奇N O生成机理中的()和()反应是强烈的吸热反应,需要在高温环境下进行,而根据掺水燃烧对缸内热力过程的分析,由于水的相变等物理过程,掺水燃烧导致缸内燃烧温度的下降.因此,掺水燃烧通过降低缸内燃烧温度从而抑制了热力型N O的生成.根据费尼莫尔机理,快速型N O
20、是经HC N、NH以及N等中间产物氧化而形成:HC NON C OH()N C OHNHC O()NHHNH()NOHN OH()而HC N、NH以及N等中间产物是由烃类化合物中的活性碳化氢与N反应生成:CHNHC NN()CHNHC NNH()而在燃烧过程中,水促进了活性碳化氢的消耗:HCHCHH()OHCHCHHO()CHHOHCHO()因此,水有效抑制了活性碳化氢与N的反应,从而进一步减少了快速型N O的排放的生成.()掺水燃烧对C O生成的影响甲烷在发动机缸内燃烧过程中首先转化为C O,再由C O氧化生成C O.C O转化为C O的反应为:C OOC OO()OHOOHOH()C OO
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