N2 和CO2 稀釋對天然氣發動機燃燒和NOx 排放的影響

李偉峰，劉忠長，王忠恕，許 允，王建堃

（吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022）

0 引 言

天然氣因其具有儲量大、辛烷值高、排放低和價格便宜等優點［1］，已成為一種非常有前途的發動機替代燃料。雖然排氣再循環（EGR）技術可以有效降低發動機的NOx排放，但是天然氣燃燒初期的火焰傳播速率較低，而EGR 使缸內氧濃度降低且混合氣熱容增加［2－4］，火焰傳播速率進一步降低，燃料經濟性下降。因此，使用EGR 時be－NOx往往存在“此消彼長”的變化關系。

N2和CO2都是EGR 的主要成分，分別研究N2及CO2稀釋對天然氣發動機燃燒過程的影響，有助于深入分析EGR 成分對be－NOx“此消彼長”的 變 化 關 系 的 貢 獻 率［5－9］。Yasufumi等［5］發 現N2和CO2稀釋都可以明顯改善柴油／天然氣雙燃料發動機的NOx－PM“此消彼長”的變化關系。Tie等［6］在一臺柴油機上開展了類似的研究。Huang等［7］發現CO2稀釋可以降低天然氣發動機的NOx排放，但是發動機熱效率降低，HC 增加。Cheolwoong等［8］得出了類似的結論。Brecq等［9］指出N2和CO2稀釋都可以降低天然氣發動機的爆燃傾向，但CO2的作用是N2的兩倍。然而，目前還鮮見對比研究N2和CO2稀釋對天然氣發動機燃燒和NOx排放影響方面的報道。因此，為改善天然氣發動機be－NOx“此消彼長”的變化關系，開展此方面的研究十分必要。

工業制取N2和CO2的技術已經非常成熟［10］，這為N2和CO2稀釋在發動機上的應用奠定了基礎。另外，以空氣為原料，借助發動機氣缸內活塞下行或者廢氣渦輪增壓器產生的負壓，采用膜分離法可以制取N2并可將其直接引入發動機的進氣系統中。

作者在一臺由CA6DE柴油機改裝的渦輪增壓、中冷、重型、SI天然氣發動機上開展了N2和CO2稀釋對降低NOx排放的研究。

1 試驗方案

1.1 試驗發動機

試驗在一臺電控、多點噴射、6 缸、重型天然氣發動機（CA6SE）上進行，發動機的主要參數如下：缸徑×行程為106 mm×125 mm；總排量為6.618L；壓縮比為12；標定功率為155kW（2300 r·min－1）；最大轉矩為700（N·m）（1400／r·min－1）；燃料噴射方式為進氣道多點順序噴射；發動機型式為直列六缸四沖程增壓。該發動機是在CA6DE柴油機的基礎上開發的。在開發過程中，保持原機基本結構不變，并與原機保持最大限度的零部件通用性。

在試驗中所使用的電控系統具有實現多點電子控制噴射、稀燃、節氣門控制、錯誤診斷及通信等功能。發動機以壓縮天然氣作為燃料。天然氣在壓縮瓶中的壓力為20MPa，通過減壓閥將壓力減小到0.8 MPa，之后通過一個計量裝置進入到進氣歧管內。為了防止天然氣在減壓過程中由于體積膨脹而引起“結冰”現象，在減壓閥上安裝了一個熱交換器。天然氣的噴射時刻及火花塞點火時刻都通過控制發動機運行狀態的電腦控制。天然氣的流量通過一個質量流量計（MFM）測量。圖1給出了發動機的本體、電控系統以及各測試儀器。

圖1 試驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of engine testing bench

試驗中使用的N2和CO2的純度為99.9%。N2和CO2的壓力通過穩壓裝置控制并穩定在0.2 MPa左右，之后稀釋氣體在進氣總管中與空氣混合，并隨空氣進入缸內。稀釋氣體的流量直接通過質量流量計（MFM）測量。表1 給出了N2、CO2、空氣和CH4主要理化性質的比較［11］。

表1 稀釋氣體、空氣及燃料的性質（0.1 MPa，25 ℃）Table 1 Properties of dilution gases，air and fuel（0.1 MPa，25 ℃）

1.2 試驗方案

試驗在轉速為1450r·min－1、節氣門開度為23.7%下進行，天然氣的流量為12.44kg·h－1，天然氣的噴射時刻為315°CA BTDC，火花塞點火時刻為20°CA BTDC。在試驗中，以A50（1450r／min，50%負荷）工況作為基準點，保持邊界條件（轉速、燃料噴射時刻及脈寬、點火時刻、節氣門開度等）不變，在進氣中分別添加CO2和N2，直到發動機轉矩下降超過5%為止，如表2所示。N2和CO2的質量流量分別通過質量流量控制裝置進行調節。

表2 試驗工況點Table 2 Test cases examined

在發動機運行一段時間并達到穩定狀態后展開試驗。在試驗中，進氣中冷后溫度保持在（40±1.5）°C，發動機冷卻水溫度保持在（80±2）°C，機油溫度保持在（95±2）°C。另外，由圖1可知，稀釋氣體在中冷器前進入進氣管內并與空氣混合，因此其溫度保持在（40±1.5）°C。

在本研究中用稀釋比表征稀釋氣體對混合氣的稀釋程度，其定義如下：

2 試驗結果及分析

為了分析不同稀釋氣體對發動機燃燒和NOx排放的影響，本文采用稀釋比作為自變量對結果進行分析［5－8］。另外，為了說明N2和CO2稀釋對混合氣熱物理性質、氣體濃度、燃料消耗率、燃燒過程等影響的差異以及兩者降低NOx排放的原因，本文還采用了NOx排放作為自變量對結果進行分析。

2.1 NOx 排放特性

圖2給出了不同稀釋比時NOx排放的變化情況。無論是使用N2還是CO2，隨著稀釋比增加，NOx排放都明顯降低。由澤爾多維奇定理可知，影響NOx生成的因素主要有缸內氧濃度、最高燃燒溫度和燃氣在高溫、富氧環境中的停留時間［12］。一般而言，只有很少一部分NO 產生于很薄的火焰反應帶中，大部分NO 在火焰離開后的已燃氣體中生成［12］。試驗中，發動機節氣門開度、燃料噴射時刻及脈寬不變，隨著稀釋氣體增加，由于其稀釋效應，部分空氣被稀釋氣體取代，缸內氧濃度降低，從而抑制了NOx的生成，如圖3（a）所示；稀釋氣體的熱效應使缸內混合氣熱容增加，當上升相同的溫度時混合氣需要吸收更多的熱量，因此最高燃燒溫度降低［8］，如圖4（a）和圖5（a）所示。在稀釋效應和熱效應的共同作用下，NOx排放隨著稀釋比增加而急劇下降［5－8］。

圖2 NOx 排放隨著稀釋比的變化Fig.2 Variation of NOxemissions vs.DR

由圖3（a）和圖4（a）可知，當稀釋比相同時，CO2和N2稀釋所對應的缸內氧濃度幾乎相同，而CO2稀釋對應的缸內混合氣熱容較高，這說明就降低NOx排放而言，相比之下，兩者的稀釋效應幾乎相同，但CO2的熱效應明顯較大，所以其最高燃燒溫度較低，如圖5（a）所示。因此，當稀釋比相同時，N2降低NOx的能力低于CO2，其所對應的NOx排放相對更高。相同條件下，為達到相同NOx排放水平，與CO2稀釋相比，N2的稀釋比更高。

圖3 不同稀釋比和不同NOx排放時點火前缸內平均氧濃度的變化Fig.3 Variation of in－cylinder O2concentration before sparking timing vs.DR and NOxemissions

圖4 不同稀釋比和不同NOx 排放時混合氣熱容的變化Fig.4 Variation of heat capacity of mixture in cylinder vs.DR and NOxemissions

圖5 不同稀釋比和不同NOx 排放時缸內最高平均燃燒溫度的變化Fig.5 Variation of maximum mean combustion temperature in cylinder vs.DR and NOxemissions

由圖3（b）、圖4（b）和圖5（b）可知，當NOx排放降低到相同水平時，與CO2稀釋相比，N2稀釋對應的氧濃度較低，而混合氣熱容較高，這說明相比之下，就降低NOx排放而言，雖然稀釋氣體的稀釋效應和熱效應都會降低NOx排放，但N2稀釋抑制NOx生成的主要因素是較低的缸內氧濃度，即N2的稀釋效應；而CO2稀釋抑制NOx生成的主要因素是較低的缸內最高燃燒溫度，即CO2的熱效應。由于兩者降低NOx排放的原因不同，因此其對發動機燃燒過程的影響也有所不同。

2.2 CO 和THC排放

圖6給出了不同稀釋比時CO 和THC 排放的變化情況。CO 是碳氫燃料在燃燒過程中生成的中間產物。當反應氣的氧濃度及溫度足夠高，化學反應所占有的時間足夠長時，CO 會氧化成CO2［12］。由表2可知，隨著N2稀釋比增加，部分空氣被N2取代，過量空氣系數減小，缺氧引起燃料燃燒不完全，因此CO 排放增加；另外缸內溫度隨著稀釋比增加而下降，局部區域溫度過低，使CO 失去溫度條件而不能繼續氧化為CO2，也會使CO 排放增加。隨著CO2稀釋比增加，由于CO2的密度較大，其所替代的空氣量較少，天然氣－空氣混合氣略微變濃，但由于缸內溫度明顯下降，燃燒持續期延長，這就增加了CO 氧化成CO2的化學反應時間，因此隨著CO2稀釋比增加，CO先略有上升，后呈下降趨勢。另外，對于這兩種稀釋氣體，隨著稀釋比增加，混合氣變濃且缸內溫度下降，大量CH4未經燃燒便排出缸外，因而THC排放明顯上升。與CO2稀釋相比，當稀釋比相同時，N2稀釋引起的CO 和THC 排放較高，這是由于其混合氣較濃的緣故，如表2所示。

圖6 CO 和THC排放隨著稀釋比的變化Fig.6 Variation of CO and THC emissions vs.DR

2.3 比燃料消耗率

圖7 給出了be的變化情況。由圖7（a）可知，隨著CO2稀釋比增加，be明顯升高。在試驗中節氣門位置不變，因此影響be的因素主要有2個：混合氣的比熱比和燃燒過程。隨著CO2流量的增加，一部分空氣被CO2取代，由于CO2的比熱比較低，因此缸內混合氣的比熱比下降，如圖8（a）所示。由內燃機理論循環可知，混合氣的比熱比越小，理論熱效率越低，則be越高［12］。由圖9（a）可知，隨著稀釋比的增加，CA10（燃料化學能釋放10%所對應的曲軸轉角）和CA90（燃料化學能釋放90%所對應的曲軸轉角）后移，混合氣的滯燃期（火花點火時刻與CA10之間的曲軸轉角）和燃燒持續期（CA10 和CA90 之間的曲軸轉角）延長，燃燒定容度降低，混合氣在膨脹行程做功能力下降，熱效率降低，be升高。

圖7 不同稀釋比和不同NOx 排放時be的變化Fig.7 Variation of bevs.DR and NOxemissions

圖8 不同稀釋比和不同NOx 排放時混合氣比熱比的變化Fig.8 Variation of specific heat ratio of charge mixture vs.DR and NOxemissions

由圖7（a）、圖8（a）和圖9（a）可知，當稀釋比相同時，與CO2稀釋相比，N2稀釋時可獲得較低的be，這是由混合氣較高的比熱比及較快的燃燒速率（燃燒定容度較高）決定的。

由圖7（b）可知，隨著NOx排放降低，be明顯升高，be－NOx呈現出“此消彼長”的變化關系。由圖7（b）、圖8（b）和圖9（b）可知，當NOx排放降低到相同水平時，與CO2稀釋相比，N2稀釋時混合氣的比熱比較高，滯燃期和燃燒持續期較短，be明顯較低。隨著NOx排放減少，與CO2相比，N2作為稀釋氣體時，be上升的幅度明顯較低，因此N2稀釋改善了be－NOx“此消彼長”的變化關系。

2.4 燃燒過程

圖9 不同稀釋比和不同NOx 排放時CA10和CA90的變化Fig.9 Variation of CA10and CA90vs.DR and NOxemissions

圖9 （a）給出CA10和CA90隨著稀釋比的變化情況。隨著CO2稀釋比增加，CA10 和CA90明顯后移，滯燃期和燃燒持續期延長。阿雷尼烏斯定律指出，在影響化學反應速率的諸多因素中，溫度對反應速率的影響最為顯著［13］。根據范特荷夫由試驗數據歸納的反應速率與溫度的近似關系，當溫度升高10K 且其他條件不變的情況下，化學反應速率將增至2～4倍［14］。由圖10（a）可知，隨著CO2稀釋比的增加，火花塞點火時（20°CA BTDC）的缸內平均溫度明顯下降，這是因為混合氣的熱容隨著稀釋比增加而增加，如圖4（a）所示。點火時刻較低的缸內溫度不利于天然氣早期火焰發展，使火焰發展初期所需時間延長，火焰傳播速率降低，因此CA10和CA90后移，滯燃期和燃燒持續期延長，燃燒定容度降低。

由圖9和圖10可知，當稀釋比或NOx排放相同時，與CO2稀釋相比，N2稀釋所對應的CA10和CA90前移，燃燒定容度增加，這是因為N2稀釋對應的點火時刻缸內溫度較高。

另外，導溫系數對燃燒火焰的傳播有非常大的影響。N2的導溫系數明顯高于CO2，如圖11所示。由燃燒學可知，導溫系數高的氣體有利于燃燒火焰的傳播［15］。因此，當NOx排放相同時，與CO2稀釋相比，N2稀釋時天然氣燃燒速率較高的另外一個原因是N2具有較高的導溫系數。

圖10 不同稀釋比和不同NOx 排放時點火時刻（20°CA BTDC）缸內平均溫度的變化Fig.10 Variation of mean temperature in cylinder at spark timing（20°CA BTDC）vs.DR and NOxemissions

圖11 N2和CO2的導溫系數隨著溫度的變化Fig.11 Variation of thermal diffusivities of N2 and CO2vs.temperatures

圖12 給出了缸內壓力、放熱率和缸內溫度隨著曲軸轉角的變化情況。隨著稀釋比增加，無論是N2稀釋還是CO2稀釋，缸內壓力峰值、放熱率峰值和最高平均燃燒溫度都明顯降低，放熱率重心后移，燃燒定容度降低，這是由天然氣的滯燃期和燃燒持續期延長引起的。試驗結果說明：進氣中添加N2或者CO2都可以降低缸內的熱負荷和壓力負荷，有利于避免早燃、爆燃及表面點火等不正常燃燒現象。

圖12 缸內壓力、放熱率及溫度隨著曲軸轉角的變化Fig.12 Variation of pressure，heat release rate and temperature in cylinder vs.crank angle

圖13 給出了分別使用N2和CO2作為稀釋氣體將NOx排放降低到相同水平時缸內壓力、放熱率及溫度隨曲軸轉角的變化情況。由圖13可知，與CO2稀釋相比，N2稀釋時缸壓峰值較高，著火延遲期較短，放熱率重心前移，缸內溫度峰值較高，這說明當NOx排放降低到相同水平時，與CO2稀釋相比，N2稀釋縮短了混合氣的滯燃期和燃燒持續期，增加了天然氣的燃燒速率，提高了燃燒定容度，從而優化了天然氣－空氣混合氣的燃燒過程。

圖14給出了不同稀釋比和不同NOx排放時缸內壓力峰值及放熱率峰值的變化情況。由圖5和圖14 可知，當稀釋比或NOx排放相同時，與CO2稀釋相比，N2稀釋時缸內壓力峰值、放熱率峰值及溫度峰值較高，這是因為N2稀釋時混合氣的滯燃期和燃燒持續期較短，這是由混合氣的較低的熱容和較高的導溫系數引起的。雖然稀釋氣體的稀釋效應和熱效應都會降低NOx排放，但由2.1節可知，N2稀釋抑制NOx生成的主要原因是較低的缸內氧濃度（稀釋效應），CO2稀釋抑制NOx生成的主要原因是較低的缸內溫度（熱效應）。已有研究表明：與氧濃度相比，溫度對混合氣燃燒速率的影響更大［14］。因此，當NOx排放降低到相同水平時，與CO2稀釋相比，N2稀釋對天然氣－空氣混合氣燃燒速率的影響較小。所以，當NOx排放降低到相同水平時，與CO2稀釋相比，N2稀釋可以優化混合氣的燃燒過程。在選擇降低NOx排放的策略時，同時降低缸內最高燃燒溫度和氧濃度的策略（如N2稀釋）優于過多降低最高燃燒溫度的策略（如CO2稀釋）。

圖13 NOx 排放降低到相同水平時缸內壓力、放熱率和溫度隨曲軸轉角的變化Fig.13 Variation of pressure，heat release rate and temperature in cylinder vs.crank angle at the same NOxemissions

圖14 不同稀釋比和不同NOx 排放時缸內壓力峰值及放熱率峰值的變化Fig.14 Variation of pmaxand ROHRmaxvs.DR and NOxemissions

3 結 論

（1）無論是使用N2還是CO2作為稀釋氣體，隨著稀釋比增加，NOx排放都明顯降低。當稀釋比相同時，與使用N2相比，使用CO2能更有效地降低NOx排放。

（2）隨著N2稀釋比的增加，CO 和THC 排放明顯上升；隨著CO2稀釋比的增加，THC 排放明顯上升，但CO 排放先上升后下降。

（3）與CO2稀釋相比，當NOx排放降低到相同水平時，N2稀釋緩和了be－NOx“此消彼長”的變化關系。

（4）與CO2稀釋相比，當NOx排放相同時，N2稀釋使CA10和CA90前移，燃燒定容度增加，從而優化了混合氣的燃燒過程。

（5）雖然稀釋氣體的稀釋效應和熱效應都可以降低NOx排放，但相比之下，N2稀釋降低NOx排放的主要因素是缸內較低的氧濃度，即N2的稀釋效應；CO2稀釋降低NOx排放的主要因素是較低的缸內最高燃燒溫度，即CO2的熱效應。

（6）除了控制混合氣氧濃度之外，溫度對混合氣燃燒過程的影響不可忽視。在選擇降低NOx排放的策略時，同時降低缸內燃燒溫度和氧濃度的策略（如N2稀釋）優于過多降低缸內燃燒溫度的策略（如CO2稀釋）。

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