加氢对天然气发动机燃烧影响的试验分析

周 磊，李 蓉

加氢对天然气发动机燃烧影响的试验分析

周 磊，李 蓉

（武汉软件工程职业学院 汽车工程学院，湖北 武汉 430205）

在能源与环境的双重压力下，天然气发动机中加氢是一种可以改善发动机特性很好的途径。为了研究加氢的比例对天然气发动机燃烧与性能的影响，文章将对一台天然气发动机进行加氢设备改造并进行台架试验。研究结果表示，加氢可以加快混合气火焰传播速度，缩短缸内燃烧的持续期，并明显提前燃烧重心，进一步提高最高燃烧温度和最高爆发压力。但随着发动机负荷的增加，这种促进作用在逐渐减弱。

天然气发动机；加氢比例；燃烧性能；台架试验

中国汽车工业自21世纪以来进入了高速发展时期，随着汽车保有量的持续增长，我国面临着环境污染以及能源短缺的双重压力，制定的燃油消耗率和排放标准也越来越严格，发动机工程师们正致力于寻求一种能够在提高发动机经济性的同时可以降低有害物排放的方法。

天然气由于其较高的热效率及良好的经济性、安全性和排放性能，被普遍认为是一种优质、高效、清洁的代用燃料。但天然气作为发动机燃料时，其火焰传播速度较慢的性质会延长发动机缸内燃烧时间，燃烧重心也会因此远离上止点，导致发动机的动力性会出现一定程度的下降。而氢气作为一种热值高、排放特性好的燃料，其较高的火焰传播速率可以弥补天然气燃烧速率慢、热效率低的缺陷，所以天然气加氢可以较好地改善天然气发动机的性能。

为了研究加氢对天然气发动机的影响，NAVARRO E等[1]建立了天然气发动机加氢的零维数值仿真模型，仿真结果显示，天然气发动机加氢会提高缸内最高爆发压力，减少一氧化碳的排放量。邓玄亮等[2]采用Chemkin软件对燃气轮机中天然气燃料加氢进行了数值计算，计算结果表明，加氢对天然气燃气轮机的燃烧有一定的促进作用，但加氢比例超过60%时，需要进行综合评估。董永超等[3]进行了天然气发动机掺氢试验，试验结果表明，在发动机转速为1 000 r/min、节气门开度为50%时，天然气发动机最佳掺氢比为40%。

目前国内外的研究主要是针对天然气发动机进行加氢仿真计算，而试验研究多在单个工况下进行，因此，本文在上述研究成果基础上，进行了不同工况下加氢比例对天然气发动机燃烧与性能影响的试验研究，对天然气发动机的开发与优化具有非常重要的意义。

1 试验方案

1.1 台架试验

本试验以一台直列六缸、9.7 L排量、进气总管单点喷气、点燃式天然气发动机为基础，进行加氢装置的改装设计，来建立一个可以根据不同加氢能量比来控制喷氢量的天然气发动机加氢试验平台，并以此为研究对象，深入研究加氢对天然气发动机燃烧与性能的影响，发动机基本参数如表1所示。

表1 发动机基本参数

类型参数 型式直列六缸、9.7 L、进气总管单点喷气、点燃式天然气发动机 缸径×行程/(mm×mm)126×130 连杆长度/mm219 排量/L9.729 压缩比13.6 额定功率/kW/转速/(r/min)250/2 200 最大扭矩/(N·m)/转速/(r/min)1 350/1 200～1 500 怠速稳定转速/(r/min)600±50 最低燃油消耗/[g/(kW·h)]195

为了保证能够准确控制氢气的喷射量以满足不同的加氢能量比要求，本次试验在原有天然气供应管路的基础上，为氢气也安装了一套燃气供应管路并配有喷射控制系统，如图1所示，天然气和氢气分别从各自的储气瓶中进入燃料供应管路，并通过各自的压力调节器减压后进入各自的喷射器喷射至进气歧管与空气混合，然后燃料与空气的混合气通过节流阀进入气缸中燃烧。

本次试验需要采集的数据较多，因此，台架试验中用到的仪器也比较多，为了保证试验数据的准确性，尽可能地减少试验误差，本次试验采用了湖南湘仪动力测试仪器有限公司的电力测功机、AVL燃烧分析仪以及排放测量仪等先进设备。具体试验仪器和设备如表2所示。

表2 主要试验仪器和设备

仪器名称型号 电力测功机湘仪CAC-380 测功机控制系统湘仪FC2012 燃烧分析仪AVL INDISET ADVANCEDCED 排放测量仪HORIBA MEXA-584L 天然气流量测量仪TOCEIL CMF025 缸压传感器Kistler D14FR-5DD2B 信号放大器AVL F1

1.2 试验工况

试验过程中，发动机先进行热机，当水温及油温到达试验要求时，在发动机转速为1 000 r/min、1 400 r/min以及1 800 r/min时，保持转速不变，调节负荷由制动平均有效压力（Brake Mean Effective Pressure, BMEP）由2 bar调至10 bar，以4 bar为间隔，逐个工况点进行试验，稳定3分钟后开始记录实验数据。

本次研究以燃烧放热率、燃烧持续期（0～10%、10%～90%、50%燃烧点）、最高燃烧温度、最高爆发压力等燃烧参数作为燃烧性能的评判标准，燃烧参数均由缸压传感器测得的缸压数据计算而来，由于本试验采取加氢能量比为单一变量，所以需要控制过量空气系数、点火提前角以及节气门开度保持不变。

2 加氢对天然气发动机燃烧性能的影响分析

2.1 加氢对燃烧放热率的影响

从图2中可以看出，随着加氢能量比的提高，瞬时放热率的最高值在逐渐提高，其对应的曲轴转角也在更加靠近压缩上止点，可以看出这种提升在小负荷时尤为明显，对比图2(a)和图2(b)两张图可以发现，随着负荷的提高，加氢对天然气发动机瞬时放热率的提升作用依旧明显，但可以看出其影响作用正逐渐降低。本文只对加氢后天然气发动机的瞬时放热率进行了定性分析，后面将通过燃烧持续期、最高燃烧温度、最高爆发压力等参数对天然气发动机加氢后的缸内燃烧过程进行分析。

图2 不同负荷下加氢能量比对瞬时放热率的影响

2.2 加氢对燃烧持续期的影响

2.2.1加氢对0～10%燃烧持续期的影响

发动机缸内燃烧过程中0～10%燃烧持续期表示着燃料着火性能的好坏，由图3可知，当混合气中氢气含量提高时，从开始燃烧对燃烧10%混合气的时间也在缩短，这是H-H共价键比C-H共价键更容易断开，也就是氢气更容易释放能量。随着混合气中氢气含量提高，其形成火焰中心的能力也逐渐增强，那么从开始着火燃烧到形成火焰中心的相对时间也会相应缩短[4]。

对比图3(a)和图3(b)两张图可以发现，在中负荷时，虽然随着加氢能量比的增加，0～10%燃烧持续期也在逐渐缩短，但较之小负荷时，提升效果并不那么显著，这是由于随着负荷的提高，发动机缸内初始温度和压力均比较高，这两者也会对燃烧火焰中心的形成有促进作用[5]。

图3 不同负荷下加氢能量比对0～10%燃烧持续期的影响

2.2.2加氢对10%～90%燃烧持续期的影响

发动机缸内燃烧过程中10%～90%燃烧持续期是缸内燃烧过程的主要阶段，也是表现缸内燃烧速率的一个主要参数，由图4可以看出，随着加氢能量比的增加，10%～90%燃烧持续期呈现减小的趋势，在小负荷时十分明显。这是由于天然气与氢气的混合燃料的预混层流火焰外围是一种规则球形火焰，而随着混合气中氢气含量提高，火焰形态更加规则并且火花塞处混合气较浓，这更利于火焰中心的形成[6]。已知更容易形成火焰中心就意味着从火花塞点火到混合气形成火焰中心的时间间隔变短，即缩短了火焰发展时期，由氢气的性质可以知道，氢气具有较高的火焰传播速率，所以氢气的加入，可以加快天然气和氢气混合气火焰半径的扩大，从而提高其拉伸火焰传播速率。但是加氢比的增加也会导致定容燃烧弹中湍流强度降低，从而阻碍火焰传播[7]。但是研究得知加氢对火焰传播过程的促进作用大于阻碍作用，所以天然气发动机加氢能够在一定程度上缩短10%～90%燃烧持续期。

对比图4(a)和图4(b)两张图可以发现，在中高负荷时，加氢对天然气发动机10%～90%燃烧持续期的影响没有低负荷时明显，已知发动机负荷的提高对于燃烧火焰中心的形成也有促进作用，这就导致加氢对10%～90%燃烧持续期的影响越来越弱。

图4 不同负荷下加氢能量比对10%～90%燃烧持续期的影响

2.2.3加氢对50%燃烧点位置的影响

50%燃烧点位置也称燃烧重心，对发动机燃烧过程中的热能与动能的转换有着较大的影响。发动机50%燃烧点位置越接近压缩上止点，燃烧就越接近于等容燃烧，有效膨胀比也越大，从而提高了燃烧热效率以及平均有效压力。但是也意味着燃烧在压缩行程会消耗更多的能量，从而降低热效率，因此，50%燃烧点的位置一定要适当，这样才能保障发动机具有良好的动力性和经济性。

从图5中可以看出，随着混合气中氢气含量提高，燃烧重心在逐渐靠近压缩上止点，在2 bar小负荷时尤为明显，这是由于加氢可以加快火核的形成以及火焰传播速率，因而导致了50%燃烧点的提前，而对比图5(b)中发动机在6 bar中高负荷下试验，50%燃烧点的位置也随着加氢能量比的增加而逐渐减小，但这种影响相对于低负荷而言是十分微弱的，这是相较于2 bar而言，6 bar时发动机缸内的燃烧温度和压力本来就比较大，天然气和氢气的混合气燃烧速率已经十分迅速了，加氢对天然气发动机燃烧速率的提高变得十分有限。

图5 不同负荷下加氢能量比对50%燃烧点位置的影响

2.3 加氢对最高燃烧温度的影响

从图6中可以看出，缸内最高燃烧温度随加氢能量比的增加而呈升高的趋势，这种趋势在 2 bar低负荷时十分明显，由前文可以知道，氢气的加入可以提高天然气和氢气混合气的火焰传播速率，从而减小传热损失对缸内温度的抑制作用，并且氢气的热值比天然气高，所以氢气的加入会使燃料燃烧过程中释放更多的热量，缸内最高温度自然也会随着加氢能量比的提高而提高。而对比图6(a)和图6(b)可以看出，在6 bar中高负荷时，虽然加氢也能够提高天然气发动机缸内最高温度，但是相较于2 bar低负荷而言，加氢对缸内最高温度的影响在逐渐减小，这是由于发动机处于中高负荷时，缸内初始温度和初始压力较高，由前文可知，较高的初始温度和初始压力会提高火焰传播速率，但也会增加燃烧的不稳定性，不利于火焰的传播，因此，在中高负荷时，加氢对缸内最高温度的影响会相对减弱。

图6 不同负荷下加氢能量比对最高燃烧温度的影响

2.4 加氢对最高爆发压力的影响

发动机缸内最高爆发压力是发动机正常运转过程中，一个循环中缸内燃烧所能达到的最大压力，通常用作发动机动力性的指标。

同50%燃烧点位置影响发动机中热和功的转换一样，缸内最高爆发压力所对应的曲轴转角对发动机中的热功转换过程有重大影响，越靠近上止点，燃烧时等容度也比较高，这样缸内的压力升高率就会升高，缸内最高爆发压力也会随之增加，同时燃烧过程比较接近上止点，也意味着燃烧开始得更早，这样就会导致压缩负功增加，热效率降低。如果缸内最高爆发压力所对应曲轴转角越大，表示燃烧等容度不行，有效膨胀比也会减小，传热损失也会随之增加[8]。

由图7可以看出，在BMEP为2 bar小负荷时，最高爆发压力随着加氢能量比的增加而升高，而其对应的曲轴转角随着加氢能量比的增加而减小，这就表明氢气的加入可以提高天然气发动机的最高爆发压力，并使最高爆发压力到来的更加迅速。其原因还是在于氢气的热值比天然气高，燃烧同等质量的氢气释放的能量比天然气多，所以加入氢气的量越多，天然气和氢气混合气就会释放越多的能量，所以就导致最高爆发压力随着加氢能量比的提高而升高，同时氢气的火焰传播速率比天然气快，所以较快的燃烧速率使混合气的燃烧能够更快到最高爆发压力，其意味着燃烧过程中可燃混合气和气缸内部的传热损失也会因此减小，能量利用效率提高，这样也提高了燃烧的最高爆发压力。

图7 1 400 r/min BMEP=2 bar时加氢能量比对最高爆发压力及其对应曲轴转角的影响

对比BMEP为2 bar和BMEP为6 bar的两张图（图8）可以发现，在BMEP为6 bar的中高负荷时，最高爆发压力也会随着加氢能量比的增加而升高，其对应的曲轴转角也会随着加氢能量比的增加而减小，但是相比BMEP为2 bar小负荷而言，加氢对最高爆发压力及其对应的曲轴转角的影响又减弱了，其具体原因跟上文一样，负荷的提高也会促进缸内温度和压力的提升，进而会削减混合气中氢气能量对于最高爆发压力的影响。

图8 1 400 r/min BMEP=6 bar时加氢能量比对最高爆发压力及其对应曲轴转角的影响

3 结束语

本文通过一台天然气发动机进行加氢设备改造，研究了不同工况下加氢能量比对天然气发动机缸内燃烧过程的影响，研究结果如下：

1）对于天然气发动机，加氢可以加快混合气火焰传播速率，缩短燃烧持续期，并明显提前50%燃烧点位置，随着负荷的提高，加氢对燃烧速率的促进作用逐渐减弱；

2）加氢可以提高最高爆发压力和压力升高率并使其对应曲轴转角位置提前。随着负荷的提高，加氢的这种作用逐渐减弱。

本文的研究对于当前能源与环境时代背景下新型燃料的研发有着一定的参考意义。

[1] NAVARRO E,LEO T J,CORRAL R.CO2Emissions from a Spark Ignition Engine Operating on Natural Gas-hydrogen Blends (HCNG)[J].Applied Energy, 2013,46(2)112-120.

[2] 邓玄亮,孔祥领,焦永丰,等.燃气轮机燃烧室天然气掺氢的燃烧特性研究[J].节能,2022,41(12):38-41.

[3] 董永超,马志豪,王鑫,等.掺氢比和废气再循环率对天然气发动机性能的影响[J].河南科技大学学报(自然科学版),2021,42(2):30-37,6.

[4] 贾亮,李惠林,何锋,等.当量比对掺氢天然气预混燃烧特性的影响[J].热能动力工程,2015,30(5):725- 729,823.

[5] 张勇,黄佐华,廖世勇,等.天然气/氢气燃烧特性研究[J].内燃机学报,2006(3):200-205.

[6] 王金华.天然气-氢气混合燃料直喷燃烧特性和预混层流火焰研究[D].西安:西安交通大学,2009.

[7] 常铭,苗海燕,刘岩,等.高温高压下掺氢天然气的燃烧特性[J].内燃机学报,2010,28(6):481-487.

[8] 董少毅.掺氢对天然气发动机缸内燃烧过程及性能的影响研究[D].长沙:湖南大学,2016.

Experimental Analysis on the Influence of Hydrogen Blend on the Combustion of Natural Gas Engine

ZHOU Lei, LI Rong

( College of Automotive Engineering,Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan 430205, China )

Under the dual pressure of energy and environment, hydrogenation in natural gas engines is a good way to improve engine characteristics. In order to study the effect of hydrogenation ratio on the combustion and performance of natural gas engine, this paper will carry out hydrogenation equipment modification and bench test on a natural gas engine. The research results show that hydrogenation can accelerate the flame propagation speed of the mixture, shorten the duration of combustion in the cylinder, and significantly advance the combustion center of gravity, further increasing the maximum combustion temperature and maximum explosion pressure. But with the increase of engine load, this promotion effect is gradually weakened.

Natural gas engine; Hydrogenation ratio; Combustion performance; Bench test

TK437

A

1671-7988(2023)12-114-07

周磊（1995－），男，硕士，助教，研究方向为汽车工程，E-mail:1145713039@qq.com。

2023年湖北省中华职业教育社课题研究项目：职业院校“双师型”教师队伍培养培训体系研究（HBZJ 2023514）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.022