壓縮天然氣和柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和廢氣排放特性

1、壓縮天然氣和柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和廢氣排放特性【澳大利亞】 Yusaf T F Buttsworth D【馬來西亞】 Mushtak Talib Ali Al-Atabi摘要 在馬來西亞的露天集市和鄉(xiāng)村地區(qū)，單缸柴油機(jī)被廣泛用于小功率發(fā)電。本文簡要介紹了旨在如下目的的研究：(1)弄清采用雙燃料系統(tǒng)的固定式單缸柴油機(jī)使用壓縮天然氣(CNG)時(shí)的廢氣排放(NOX、CO和CO2)特點(diǎn)；(2)對雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)的排放和性能作一比較。使用壓縮天然氣被認(rèn)為是可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)有毒排放物的一種可行的方法。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，通過采用雙燃料系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，廢氣排放中NOX、CO和CO2的濃度平均

2、分別減少54、59和31；在整個(gè)測試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，平均輸出功率比柴油機(jī)高出10。敘詞：壓縮天然氣 柴油 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) 廢氣排放 性能 特性1 前言60年來的研究表明，天然氣可用作汽車和發(fā)電站的燃料1。這些研究主要是在世界各地對城市區(qū)域空氣質(zhì)量引入了嚴(yán)格的法規(guī)并在此法規(guī)推動(dòng)下進(jìn)行的。柴油機(jī)排出的廢氣中主要有害成分是NOX、CO、CO2和未充分燃燒的碳?xì)浠衔?。NOX主要在燃燒過程中產(chǎn)生。在燃燒過程中，氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成NO、NO2和少量的其他氮氧化合物。空氣中的氮分子和燃料中含有的化合態(tài)氮(稱作燃料氮)都能與氧反應(yīng)生成氮氧化物(NOX)。NOX及碳?xì)浠衔锏幕旌衔镌谔柟庵械淖贤饩€照射下會生成臭氧

3、。臭氧是人們通常所說的煙霧的主要成分。另外，NO2本身被認(rèn)為是一種主要污染物2。大氣中氮氧化物濃度高了就會產(chǎn)生煙霧和酸雨，刺激人的呼吸道和肺部，引起肺炎和支氣管炎。空氣中氮氧化物濃度過高會使織物的強(qiáng)度降低，使纖維褪色，還會侵蝕金屬表面。CO是最普通的危害健康的氣體。CO的毒性在于它能和血液中的血紅蛋白結(jié)合生成鮮紅的、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的一氧化碳合血紅蛋白(COHb)。這樣的血紅蛋白就不再具有輸送氧氣的能力。水中自由態(tài)CO2濃度高了會影響水生動(dòng)物的呼吸和氣體交換，甚至?xí)鹚劳?，因此水中CO2的濃度不應(yīng)超過25mg/L3。在馬來西亞，單缸柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型發(fā)電機(jī)組廣泛用于非長期運(yùn)行的場合。典型的事例為夜

4、間集市，就是那種在每個(gè)聚居區(qū)的某個(gè)地點(diǎn)每周舉辦一至兩次的大型露天集市。成百上千的商販?zhǔn)褂眠@種發(fā)電機(jī)發(fā)電照亮他們的攤位。發(fā)電機(jī)組排放造成空氣質(zhì)量惡化以及集市上人口密度高，都是人們考慮使用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)代替柴油機(jī)的原因之一。2 發(fā)動(dòng)機(jī)改裝和實(shí)驗(yàn)工作這項(xiàng)工作包括將現(xiàn)有的四沖程單缸柴油機(jī)改裝為使用雙燃料的機(jī)型。將柴油機(jī)改裝為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最實(shí)用的方法是在燃燒室前進(jìn)氣管處安裝天然氣-空氣混合裝置。這樣，天然氣就和被吸進(jìn)的空氣一起進(jìn)入燃燒室，而柴油則被用作維持燃燒室內(nèi)火焰的先導(dǎo)物4。在雙燃料系統(tǒng)中必須作一些改裝。這項(xiàng)研究中使用的喉管式混合器的設(shè)計(jì)是在文獻(xiàn)5中CFD研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的?；旌掀鞯慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)是根據(jù)模

5、擬試驗(yàn)取得的最佳結(jié)果定出的，最佳混合結(jié)果出現(xiàn)在L/D4，孔數(shù)為8時(shí)。混合器草圖如圖l所示。圖1 本研究中采用的混合器示意圖為了完成所要求的試驗(yàn)，使用了如圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺架，利用這個(gè)臺架可以測量排氣溫度、潤滑油溫度、燃料消耗率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。圖2 本研究中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置示意圖使用電渦流測功器施加各種制動(dòng)力矩以測試發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，用廢氣檢測裝置檢測廢氣中NOX、CO和CO2的濃度。該廢氣檢測器是一種便攜式汽車排氣分析儀，利用單束非散射紅外線測量技術(shù)確定廢氣中所含NOX、CO、CO2和02的濃度。測量廢氣成分用的是電化學(xué)傳感器(圖3)。圖3 本研究中采用的廢氣檢測儀用Y170F立式單缸風(fēng)

6、冷直噴式柴油機(jī)(缸徑×行程：75×55mm；排量：211mL；轉(zhuǎn)速：1800/3600r/min；最大輸出功率：4.7hp；壓縮比：16；凈重：27kg)進(jìn)行了包括在不同工況下改變發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的各種試驗(yàn)。3 結(jié)果和分析3.1 氮氧化物圖4比較了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不同轉(zhuǎn)速下NOX的排放。顯然，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放全面優(yōu)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，且NOX的排放量比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)平均低54。圖4 全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)NOX排放量隨轉(zhuǎn)速的變化然而在空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)情況卻相反。如圖5所示，在高速空負(fù)荷工況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOX排放量比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高。這是由于空氣利用率較高且燃燒過程較快，引起峰

7、值循環(huán)溫度大大升高，因而產(chǎn)生較多的NOX6)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)隨著轉(zhuǎn)速的增加，運(yùn)行時(shí)的空燃比比雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)低，這也意味著吸人的氧氣量減少了。因此，可以通過增加天然氣噴射量來減少雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOX排放量。另一種方法是減少空氣流量使雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的濃度比正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)濃一些。這可以利用諸如電控裝置(ECU)的專用機(jī)構(gòu)在低負(fù)荷時(shí)進(jìn)行進(jìn)氣節(jié)流來實(shí)現(xiàn)。還有一種方法是讓壓縮天然氣僅僅和部分空氣流混合7。不過，對于發(fā)電來說，空負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間不象車輛怠速那樣長，因此，高速空負(fù)荷情況下NOX排放增加量不明顯。圖5 空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)NOX排放量隨轉(zhuǎn)速的變化發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)，在各扭矩下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOX排放

8、量低于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，優(yōu)勢明顯，這在圖6中清楚可見。圖6 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不同扭矩下的NOX排放量(轉(zhuǎn)速為2000r/min)3.2 一氧化碳在全負(fù)荷運(yùn)行工況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CO的排放量比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低59。實(shí)際排放量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化如圖7所示。全負(fù)荷時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一般比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)。這表明在較高負(fù)荷時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更充分。圖7 全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)CO排放量隨轉(zhuǎn)速的變化影響CO排放量的最重要參數(shù)是燃料-空氣當(dāng)量比，所有其他參數(shù)的影響都是次要的。在低負(fù)荷運(yùn)行工況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放量比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高(圖8)。圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)恒定轉(zhuǎn)速2000r/min時(shí)的CO濃度。圖8 空負(fù)

9、荷運(yùn)行工況時(shí)CO排放量隨轉(zhuǎn)速的變化3.3 二氧化碳廢氣中CO2的濃度主要取決于燃料的化學(xué)成分和燃燒過程中可利用的氧氣量。試驗(yàn)結(jié)果表明在各種運(yùn)行工況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排出的CO2都比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)少。在全負(fù)荷運(yùn)行工況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CO2的排放量比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)平均低31(圖9)。在空負(fù)荷工況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CO2的排放量比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低5(圖10)。在恒定轉(zhuǎn)速2000r/min時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同測試扭矩時(shí)CO2的排放量都比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低。圖11顯示了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CO2的排放量比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)平均低18。圖9 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)CO2排放量隨轉(zhuǎn)速的變化圖10 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)空負(fù)荷運(yùn)

10、行時(shí)CO2排放量隨轉(zhuǎn)速的變化圖11 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不同扭矩下的CO2排放量(轉(zhuǎn)速為2000r/min)以上的結(jié)果可以根據(jù)下面的事實(shí)得到解釋：壓縮天然氣的主要成分是甲烷，其分子式為CH4，柴油的化學(xué)成分可以用CnH1.8n表示。這就是說柴油中一個(gè)碳原子伴有1.8個(gè)氫原子，而甲烷中有1個(gè)碳原子就有4個(gè)氫原子，可見甲烷或壓縮天然氣中碳的百分含量比柴油低，因此雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CO2的排放量少于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。3.4 動(dòng)力特性研究結(jié)果表明在低于3000r/min的各個(gè)轉(zhuǎn)速下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率高于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率在3000r/min以下隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，轉(zhuǎn)速超過3000r/mi

11、n時(shí)，功率則隨轉(zhuǎn)速升高呈下降趨勢。在這方面雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出如圖12所示的同樣的趨勢。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過3000r/min時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率高于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，這是因?yàn)殡p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程進(jìn)行得太快而發(fā)生了爆震。圖12 全負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性4 結(jié)論這項(xiàng)研究表明，只需作極小的改動(dòng)，就可以將現(xiàn)有的小型單缸固定式柴油機(jī)改造成雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)是：它以較低的壓縮比(16)運(yùn)行，這較適合雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃用壓縮天然氣。改造這種小型發(fā)動(dòng)機(jī)可節(jié)省改造大型柴油機(jī)時(shí)為降低壓縮比所花的成本和工作量。試驗(yàn)表明，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在所有運(yùn)行工況下，CO2的排放量低；全負(fù)

12、荷運(yùn)行工況時(shí)，CO2排放量減少的幅度最大，可達(dá)31，而在空負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)CO2的排放量僅減少5；全負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)，NOX和CO的排放量分別減少54和59。然而，試驗(yàn)表明空負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放一般優(yōu)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。在用于發(fā)電時(shí)，空負(fù)荷工況不會象車輛怠速那樣延續(xù)較長的時(shí)間，因而無關(guān)緊要。另外，采用雙燃料系統(tǒng)可使發(fā)動(dòng)機(jī)在3000r/min以下寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生的功率大于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)已證明，在夜間集市之類的場所使用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電將有益于周圍地區(qū)人群的健康，不管是商販還是顧客。參考文獻(xiàn)1 International Association for Natural Gas Vehicle

13、s(Inc) IANGV. NGV Survey Newsletter No. 20, V 240, Auckland, New Zealand, September 19912 Guthrie J等. Sources and Control of Oxides of Nitrogen Emissions Report. State of California, California Environmental Protection Agency, Air Resources. August 19973 Yusaf T F. The Use of Natural Gas in Small Hi

14、gh Speed Diesel Engine. Thesis Universiti Kebangsaan Malaysia4 Yusaf T F等. Design Modification of High Speed Diesel Engine to Accommodate Compressed Natural Gas. RERIC International Energy Journal, 1996, 18(1)5 Yusaf T F等. CNG Mixer for a Commercial Diesel Engine 7th International Conference & E

15、xhibition on Natural Gas Vehicles. October l719, 2000, Yokohama, Japan. Paper No: PP53,: 5675746 David M C等. Performance and Emission of a Converted RABA 2356 Bus Engine in Diesel and Dual Fuel Diesel/Natural Gas Operation. Proceedings of SAE Future Transportation Technology Conference(931823). San Antonio, Texas. August 19937 Weaver C S等. Dual Fuel Natural Gas/Diesel Engines. Technology, Performance, and Emission