煤層氣發動機燃燒穩定性試驗

陳雷， 宋鵬， 杜寶國， 隆武強， 馮立巖， 劉愛虢

(1.沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110136； 2.大連理工大學 能源動力學院，遼寧 大連 116023； 3.大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連 116600)

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煤層氣發動機燃燒穩定性試驗

陳雷1，2， 宋鵬2，3， 杜寶國2， 隆武強2， 馮立巖2， 劉愛虢1

(1.沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110136； 2.大連理工大學 能源動力學院，遼寧 大連 116023； 3.大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連 116600)

為研究燃料組分變化對煤層氣發動機性能的影響，在一臺火花點火發動機上進行了煤層氣發動機運轉穩定性試驗研究，探明了稀燃極限以及燃料當量比、煤層氣各組分混合比對發動機的經濟性及運轉穩定性的影響，并采用摻氫燃燒的方式研究了摻氫量對煤層氣發動機稀燃極限及循環變動的改善作用。試驗結果表明：煤層氣中CO2含量對發動機的經濟性及運轉穩定性均有較大影響，隨著CO2含量的升高，有效熱效率逐漸下降、并在較高CO2含量時急劇惡化，發動機的循環變動系數增加；摻氫能夠有效拓展稀燃極限，隨摻氫量的升高煤層氣發動機的工作穩定性有明顯改善，即使在較低當量比條件下采用較高的H2含量仍能獲得較理想的循環變動系數(COVIMEP小于5%)。

煤層氣；火花點火發動機；運轉穩定性；稀燃極限；CO2稀釋；有效熱效率

受開采技術的限制，長期以來人們對低濃度煤層氣資源大多采取直接排入大氣的處置方式[1-3]。由于煤層氣中主要可燃組分甲烷的溫室效應及對臭氧層的破壞能力遠高于二氧化碳[4]，因此這種簡單的處置煤層氣的方式帶來了嚴重的環境問題；而且煤層氣的儲量巨大，直接排空導致了嚴重的能源浪費[5-7]。近年來，隨著開采和運輸技術的進步，人們已經能夠將地面抽采煤層氣(coal bed methane， CBM)和井下抽采煤層氣(coal mine methane， CMM)用于驅動發動機發電[1]。這一舉措不僅有效地改善了排空所造成的環境污染問題，還極大地降低了瓦斯爆炸事故的概率，取得了巨大的效益。

作為發動機燃料，煤層氣具有抗爆性較好、燃燒清潔、啟動性好等優點[1]。但與其他氣體燃料相比，其缺陷同樣顯著：煤層氣主要可燃成分甲烷的火焰傳播速度低[4]，使得煤層氣發動機的燃燒持續期長，對經濟性有一定影響；煤層氣中甲烷的體積分數變化巨大，尤其對于作為超低濃度煤層氣中的礦井乏風(ventilation air methane， VAM)而言其甲烷含量只有0.05%～1%[1]，這導致煤層氣發動機的循環變動較高，同樣的原因也造成了煤層氣發動機的稀燃性能較差。這些問題使煤層氣發動機的發電效率大打折扣，并嚴重限制了低濃度煤層氣發動機上的應用領域。

針對煤層氣發動機應用中存在的上述問題，研究者進行了深入的探索。Zuo等在一臺經改造的S195發動機上進行了低品位煤層氣發動機性能試驗[8]，分析了煤層氣組分(CH4、CO2及O2的百分含量)及負荷變化對主要污染物(NOx、CO、HC)排放水平的影響。結果表明，隨著CH4含量及負荷的增加，CO及HC排放均有所降低，但NOx的排放升高。李從心等研究了發動機燃用不同組分的煤層氣在不同負荷下的缸壓、放熱率、火焰發展期、主燃燒期及其排放性能[9]。研究結果表明：隨著煤層氣中氮氣體積分數的增加，最高缸內壓力和壓力升高率降低，燃燒放熱率峰值下降，火焰發展期變長，放熱率曲線型心對應的曲軸轉角偏離上止點；發動機HC 和CO排放濃度增大，而NOx排放大幅度下降。Gao等[10]也分別從空燃比控制的角度進行了煤層氣運轉穩定性研究。

國內外學者在組分變化對煤層氣發動機性能及排放影響方面進行了較多的研究工作，但是在煤層氣發動機工作穩定性改善、尤其是稀燃能力改善方面的研究成果還較少。而大部分煤層氣資源中CH4的含量普遍較少，探索提高低CH4含量煤層氣的利用方法、以及改善煤層氣發動機工作穩定性的技術至關重要。因此，開展通過燃料調節的方式提高煤層氣發動機的工作穩定性并拓寬其稀燃極限的研究，對煤層氣發動機發電效率的提升十分必要，同時對煤層氣發動機的應用范圍擴展也具有重要意義。

本文對一臺目前廣泛應用于小型發電設備的火花點火發動機進行了改造，并在改造后的試驗臺上進行了煤層氣發動機運轉穩定性試驗。

1 試驗裝置及實驗方案

試驗用發動機為單缸、四沖程、風冷的本田GX340火花點火發動機。該發動機壓縮比為8.0，排量為337 cm3。為滿足本試驗要求，對其進行了一定改造：氣缸壓力采用KISTLER公司的6125A型壓力傳感器測量，測得的數據由KISTLER 5011B型 電 荷 放 大 器 放 大 及 轉 換；原發動機是汽油機，試驗中在該發動機上加裝了自行開發的ECU系統，以實現供氣時刻、供氣脈寬及點火時刻等的綜合控制；在進氣道中加裝的進氣混合器中安裝了KEIHIN產氣體噴射電磁閥。試驗中，保持發動機轉速1 500 r/min、最佳點火提前角(maximum brake torque， MBT)以及節氣門全開(wide open throttle， WOT)條件不變。試驗所用發動機原機保有量大，但壓縮比較低。為了在實際發電機平臺上盡可能少的進行硬件改裝，在本研究中作者并沒有提高發動機的壓縮比，而是采用調整燃料組分的方式來實現優化發動機性能的目的。

在試驗中，首先以CH4及CO2的混合氣模擬煤層氣，通過改變當量比及CH4-CO2的混合比模擬實際煤層氣組分；隨后，采取摻混H2的方法以改善發動機的經濟性、運轉穩定性并提高稀燃能力。試驗所采用當量比Φ范圍為0.4～1.0。定義V(CO2)為CO2在模擬煤層氣中的體積百分數，V(CH4)為CH4在CH4-H2中的體積百分數，V(H2)為H2在CH4-H2中的體積百分數，其范圍分別為：V(CO2)為0～70%，V(CH4)為30%～100%，V(H2)為17%～75%。試驗中所采用的當量比Φ定義為所有可燃組分(CH4+H2)的總當量比，即Φ=ΦCH4+ΦH2；并且在Φ的計算中僅考慮空氣、CH4及H2，不考慮CO2。

為了獲得更豐富的實驗數據，并使本試驗的結果對煤層氣、沼氣等以CH4為主要可燃組分的燃氣發動機研究均有借鑒意義，試驗中采用了比實際煤層氣可燃組分濃度范圍更大的V(CH4)。

2 試驗結果及分析

圖1所示為煤層氣組分對有效熱效率的影響。如圖所示，隨著燃料中CO2含量的升高有效熱效率有所下降，而且下降趨勢隨著CO2含量的升高而逐漸增加。這是因為CO2含量的升高導致了熱投入量減少，混合氣中惰性成分增多，燃燒速度減慢。當CO2含量大于60%時，有效熱效率的急劇下降表明此時燃燒的急劇惡化。

圖2所示為135個連續循環的IMEP變化散點圖。本研究中在每個工況下的135個連續循環均為開機一段時間后保持MBT及WOT條件、發動機轉速穩定在1 500 r/min、冷卻水溫度介于50 ℃～90 ℃、扭矩示數穩定后開始計算的連續循環。如圖所示，在當量比Φ及CO2含量較低時，IMEP散點分布區間變化范圍不大；隨著當量比Φ及CO2含量的升高IMEP散點分布區間有所擴大，且擴大的范圍逐漸增加。這是由于燃料組分變化導致的燃燒速度及熱投入量的變化造成的。循環變動主要是由初燃期火焰傳播的變化導致的，CO2的增加勢必造成燃燒速度的減慢，因此燃料中更多的CH4意味著更穩定的燃燒過程。

圖3所示為CO2含量對循環變動的影響。本研究采用COVIMEP作為煤層氣發動機循環變動特征的評價指標。其中，COVIMEP定義為IMEP的循環變動系數:

(1)

如圖3所示，在當量比Φ位于稀燃極限時，即使在較小的CO2含量條件下COVIMEP也處于較高水平；而當CO2含量增加至60%以上時，在各當量比條件下COVIMEP均急劇升高。如前文所述，COVIMEP的惡化歸因于混合氣中的CO2含量過高時過少的投入熱量和過慢的燃燒速度。

圖1 煤層氣組分對有效熱效率的影響Fig.1 Effect of fuel component on brake thermal efficiency

圖2 IMEP散點圖Fig.2 Scatter diagram of IMEP

圖3 CO2含量對循環變動的影響Fig.3 Effect of CO2 concentration on cyclic variation

從上述試驗結果的分析中可以得到：煤層氣主要成分甲烷的稀燃極限為Φ=0.63，發動機在稀燃極限條件運轉時循環變動很大，經濟性較差；當煤層氣中CO2含量較高時，發動機的循環變動和經濟性均急劇惡化。這是由于煤層氣中較高的CO2導致的，這一問題也將導致煤層氣發動機的輸出功率及轉速的大范圍變化。但由于煤層氣發動機在實際利用中多用于帶動發電機發電，這就要求發動機轉速穩定。因此，為了改善煤層氣發動機的運轉穩定性并擴展稀燃極限，本研究采取了摻氫燃燒的方式。為了研究摻氫對稀燃極限及全工況條件下發動機運轉穩定性的影響，本試驗中在所有當量比條件下均采用了摻氫的策略，并著重考察原稀燃極限、以及較大CO2含量條件下摻氫燃燒的發動機運轉穩定性。

圖4所示為摻氫燃燒對煤層氣發動機的有效熱效率的影響。與單純煤層氣燃燒相比，摻氫對稀燃極限的擴展作用明顯，在Φ=0.4的工況下發動機仍能穩定工作，并獲得較高的熱效率。在當量比Φ一定的條件下，隨著摻氫量的增加，有效熱效率有所升高，而隨著CO2含量的增加有效熱效率明顯下降。有效熱效率的這一變化是由H2及CO2分別對燃燒速度的促進及抑制作用導致的。

圖4 摻氫燃燒對有效熱效率的影響Fig.4 Effect of hydrogen addition on brake thermal efficiency

與圖1所示摻氫前有效熱效率的變化情況相比，除個別工況外，隨著CO2含量的增加有效熱效率均呈現平穩的變化趨勢，即使在高CO2含量工況也沒有出現有效熱效率急劇下降的情況。這說明即使煤層氣中CO2含量含量較高時摻氫也能夠有效改善燃燒過程，從而獲得更多的有效輸出。

圖5所示為煤層氣摻氫的135個連續循環的IMEP變化散點圖。與煤層氣燃燒相比，摻氫后IMEP散點的分布范圍明顯更為集中，僅在Φ=0.4、H2含量為25%的條件下散點分布范圍較大。摻氫使得煤層氣發動機的工作更加平穩，因此如圖6所示的COVIMEP在Φ為0.4～1.0、CO2含量為0～70%的寬廣燃料范圍內均能夠得到COVIMEP<5%的理想結果。

圖5 摻氫燃燒的IMEP散點示意圖Fig.5 IMEP scatter diagram of hydrogen blended combustion

圖6 摻氫對COVIMEP的影響Fig.6 Effect of hydrogen addition on COVIMEP

3 結論

本研究在一臺單缸電控火花點火發動機上進行了煤層氣發動機運轉穩定性試驗，研究了當量比及煤層氣中CO2含量對稀燃極限及運轉穩定性的影響，并探索了摻氫燃燒對煤層氣發動機運轉穩定性及稀燃極限的促進作用。結果表明：

1)隨著煤層氣中CO2含量的增加，發動機的經濟性及運轉穩定性均有所下降，當CO2含量較大時此兩項指標均急劇惡化；

2)摻氫后，煤層氣的稀燃極限由Φ=0.63擴展至Φ=0.4，且在稀燃極限條件下若采用較高的H2含量則發動機仍能穩定運轉(COVIMEP<5%)；在各工況下摻氫燃燒均能得到更低的COVIMEP及更高的熱效率；

3)摻氫燃燒能夠有效地拓展煤層氣稀燃極限并提高煤層氣發動機運轉穩定性，具有拓寬煤層氣發動機應用領域的潛力。

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Experimental research to improve operational stability of a coal-bed gas fueled spark ignition engine

CHEN Lei1，2， SONG Peng2，3， DU Baoguo2， LONG Wuqiang2， FENG Liyan2， LIU Aiguo1

(1. Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System， Shenyang Aerospace University， Shenyang 110136， China; 2.School of Energy and Power Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116023， China; 3. College of Mechanical and Electronic Engineering， Dalian Minzu University， Dalian 116600， China)

We conducted experimental research on the operational stability of coal-bed gas to study the effect of component variation on performance of an SI (spark ignition) engine. The lean-burn limit and the influence of the equivalence ratio and component mixing ratio of the blended fuel on the engine economy and operation stability were obtained. The lean-burn limit and cyclic variation were improved via hydrogen additives. The results showed the composition of carbon dioxide (CO2) greatly influenced both engine economy and operation stability. As CO2concentration increased， there was a gradual decrease in brake thermal efficiency. However， there was a sharp decline in the brake thermal efficiency in the high CO2concentration range. It also led to higher cyclic variation. Hydrogen additives resulted in a wider lean-burn limit， and the operation stability of the coal-bed gas engine improved with increasing H2concentration. Ideal operation stability could be obtained when the COVIMEP(coefficient of cyclic variation of IMEP) was less than 5%， even under low equivalence ratio conditions due to high H2component.

coal-bed gas; spark ignition engine; operation stability; lean-burn limit; CO2dilution; brake thermal efficiency

2016-03-28.

日期：2017-03-13.

國家自然科學基金項目(51409158，51509035)；中國博士后科學基金項目(2014M551078).

陳雷(1981-)， 男， 副教授； 宋鵬(1978-)，女，高級工程師; 隆武強(1962-)，男，教授，博士生導師.

宋鵬， E-mail:spony@dlnu.edu.cn.

10.11990/jheu.201603090

TK417

A

1006-7043(2017)04-0583-05

陳雷， 宋鵬， 杜寶國，等.煤層氣發動機燃燒穩定性試驗[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(4): 583-587.

CHEN Lei， SONG Peng， DU Baoguo， et al.Experimental research to improve operational stability of a coal-bed gas fueled spark ignition engine[J].Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(4): 583-587.

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170313.0911.002.html