壓縮天然氣和柴油雙燃料發(fā)動機的性能和廢氣排放特性

1、壓縮天然氣和柴油雙燃料發(fā)動機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使用壓縮天然氣(CNG)時的廢氣排放(NOX、CO和CO2)特點；(2)對雙燃料發(fā)動機與柴油機的排放和性能作一比較。使用壓縮天然氣被認為是可以減少發(fā)動機有毒排放物的一種可行的方法。這項研究的結果表明，通過采用雙燃料系統(tǒng)，在發(fā)動機全負荷運行時，廢氣排放中NOX、CO和CO2的濃度平均

2、分別減少54、59和31；在整個測試轉速范圍內，平均輸出功率比柴油機高出10。敘詞：壓縮天然氣 柴油 雙燃料發(fā)動機 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)域空氣質量引入了嚴格的法規(guī)并在此法規(guī)推動下進行的。柴油機排出的廢氣中主要有害成分是NOX、CO、CO2和未充分燃燒的碳氫化合物。NOX主要在燃燒過程中產生。在燃燒過程中，氧氣和氮氣反應生成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)都能與氧反應生成氮氧化物(NOX)。NOX及碳氫化合物的混合物在太陽光中的紫外線照射下會生成臭氧

3、。臭氧是人們通常所說的煙霧的主要成分。另外，NO2本身被認為是一種主要污染物2。大氣中氮氧化物濃度高了就會產生煙霧和酸雨，刺激人的呼吸道和肺部，引起肺炎和支氣管炎?？諝庵械趸餄舛冗^高會使織物的強度降低，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合生成鮮紅的、化學性質穩(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物的呼吸和氣體交換，甚至會引起死亡，因此水中CO2的濃度不應超過25mg/L3。在馬來西亞，單缸柴油機驅動的小型發(fā)電機組廣泛用于非長期運行的場合。典型的事例為夜

4、間集市，就是那種在每個聚居區(qū)的某個地點每周舉辦一至兩次的大型露天集市。成百上千的商販使用這種發(fā)電機發(fā)電照亮他們的攤位。發(fā)電機組排放造成空氣質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)動機代替柴油機的原因之一。2 發(fā)動機改裝和實驗工作這項工作包括將現有的四沖程單缸柴油機改裝為使用雙燃料的機型。將柴油機改裝為天然氣發(fā)動機的最實用的方法是在燃燒室前進氣管處安裝天然氣-空氣混合裝置。這樣，天然氣就和被吸進的空氣一起進入燃燒室，而柴油則被用作維持燃燒室內火焰的先導物4。在雙燃料系統(tǒng)中必須作一些改裝。這項研究中使用的喉管式混合器的設計是在文獻5中CFD研究的基礎上進行的?；旌掀鞯慕Y構參數是根據模

5、擬試驗取得的最佳結果定出的，最佳混合結果出現在L/D4，孔數為8時?；旌掀鞑輬D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，使用了如圖2所示的發(fā)動機試驗臺架，利用這個臺架可以測量排氣溫度、潤滑油溫度、燃料消耗率和發(fā)動機轉速。圖2 本研究中采用的發(fā)動機試驗裝置示意圖使用電渦流測功器施加各種制動力矩以測試發(fā)動機的輸出功率，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

6、冷直噴式柴油機(缸徑×行程：75×55mm；排量：211mL；轉速：1800/3600r/min；最大輸出功率：4.7hp；壓縮比：16；凈重：27kg)進行了包括在不同工況下改變發(fā)動機扭矩和轉速的各種試驗。3 結果和分析3.1 氮氧化物圖4比較了柴油發(fā)動機和雙燃料發(fā)動機全負荷運轉時不同轉速下NOX的排放。顯然，雙燃料發(fā)動機的排放全面優(yōu)于柴油發(fā)動機，且NOX的排放量比柴油發(fā)動機平均低54。圖4 全負荷運行時NOX排放量隨轉速的變化然而在空負荷運行時情況卻相反。如圖5所示，在高速空負荷工況下，雙燃料發(fā)動機NOX排放量比柴油發(fā)動機高。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，因而產生較多的NOX6)。柴油發(fā)動機隨著轉速的增加，運行時的空燃比比雙燃料發(fā)動機低，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)動機的NOX排放量。另一種方法是減少空氣流量使雙燃料發(fā)動機混合氣的濃度比正常運轉時濃一些。這可以利用諸如電控裝置(ECU)的專用機構在低負荷時進行進氣節(jié)流來實現。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，空負荷運行的時間不象車輛怠速那樣長，因此，高速空負荷情況下NOX排放增加量不明顯。圖5 空負荷運行時NOX排放量隨轉速的變化發(fā)動機轉速為2000r/min時，在各扭矩下雙燃料發(fā)動機NOX排放

8、量低于柴油發(fā)動機，優(yōu)勢明顯，這在圖6中清楚可見。圖6 雙燃料發(fā)動機和柴油發(fā)動機不同扭矩下的NOX排放量(轉速為2000r/min)3.2 一氧化碳在全負荷運行工況下，雙燃料發(fā)動機CO的排放量比柴油發(fā)動機低59。實際排放量隨發(fā)動機轉速的變化如圖7所示。全負荷時，雙燃料發(fā)動機一般比柴油發(fā)動機運轉更平穩(wěn)。這表明在較高負荷時雙燃料發(fā)動機比柴油發(fā)動機燃燒更充分。圖7 全負荷運行時CO排放量隨轉速的變化影響CO排放量的最重要參數是燃料-空氣當量比，所有其他參數的影響都是次要的。在低負荷運行工況下，雙燃料發(fā)動機的CO排放量比柴油發(fā)動機高(圖8)。圖8為發(fā)動機恒定轉速2000r/min時的CO濃度。圖8 空負

9、荷運行工況時CO排放量隨轉速的變化3.3 二氧化碳廢氣中CO2的濃度主要取決于燃料的化學成分和燃燒過程中可利用的氧氣量。試驗結果表明在各種運行工況下，雙燃料發(fā)動機排出的CO2都比柴油發(fā)動機少。在全負荷運行工況下，雙燃料發(fā)動機CO2的排放量比柴油發(fā)動機平均低31(圖9)。在空負荷工況下，雙燃料發(fā)動機CO2的排放量比柴油發(fā)動機低5(圖10)。在恒定轉速2000r/min時，雙燃料發(fā)動機在不同測試扭矩時CO2的排放量都比柴油發(fā)動機低。圖11顯示了雙燃料發(fā)動機CO2的排放量比柴油發(fā)動機平均低18。圖9 雙燃料發(fā)動機和柴油發(fā)動機全負荷運行時CO2排放量隨轉速的變化圖10 雙燃料發(fā)動機和柴油發(fā)動機空負荷運

10、行時CO2排放量隨轉速的變化圖11 雙燃料發(fā)動機和柴油發(fā)動機不同扭矩下的CO2排放量(轉速為2000r/min)以上的結果可以根據下面的事實得到解釋：壓縮天然氣的主要成分是甲烷，其分子式為CH4，柴油的化學成分可以用CnH表示。這就是說柴油中一個碳原子伴有1.8個氫原子，而甲烷中有1個碳原子就有4個氫原子，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)動機CO2的排放量少于柴油發(fā)動機。3.4 動力特性研究結果表明在低于3000r/min的各個轉速下，雙燃料發(fā)動機的功率高于柴油發(fā)動機。雙燃料發(fā)動機最大輸出功率在3000r/min以下隨著轉速的升高而增大，轉速超過3000r/min時，功

11、率則隨轉速升高呈下降趨勢。在這方面雙燃料發(fā)動機和柴油發(fā)動機表現出如圖12所示的同樣的趨勢。發(fā)動機轉速超過3000r/min時，柴油發(fā)動機的輸出功率高于雙燃料發(fā)動機，這是因為雙燃料發(fā)動機燃燒過程進行得太快而發(fā)生了爆震。圖12 全負荷運行工況時發(fā)動機的動力特性4 結論這項研究表明，只需作極小的改動，就可以將現有的小型單缸固定式柴油機改造成雙燃料發(fā)動機。這種發(fā)動機突出的優(yōu)點是：它以較低的壓縮比(16)運行，這較適合雙燃料發(fā)動機燃用壓縮天然氣。改造這種小型發(fā)動機可節(jié)省改造大型柴油機時為降低壓縮比所花的成本和工作量。試驗表明，雙燃料發(fā)動機與柴油發(fā)動機相比，在所有運行工況下，CO2的排放量低；全負荷運行工

12、況時，CO2排放量減少的幅度最大，可達31，而在空負荷運行工況時CO2的排放量僅減少5；全負荷運行工況時，NOX和CO的排放量分別減少54和59。然而，試驗表明空負荷運行工況時柴油發(fā)動機的排放一般優(yōu)于雙燃料發(fā)動機。在用于發(fā)電時，空負荷工況不會象車輛怠速那樣延續(xù)較長的時間，因而無關緊要。另外，采用雙燃料系統(tǒng)可使發(fā)動機在3000r/min以下寬廣的轉速范圍內產生的功率大于柴油發(fā)動機。試驗已證明，在夜間集市之類的場所使用雙燃料發(fā)動機發(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1 International Association for Natural Gas Vehicles(In

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