工业化进程不断加快的同时, 柴油引燃的方式也逐渐成为全国工业企业生产必不可少的手段。但是在发展的过程中, 由于对柴油引燃方式以及引燃过程中产生的问题、柴油燃料的特性等方面知识的缺失, 导致柴油引燃天然气的双燃料发动机无法得到更全面和深入的推广, 使其功能的发挥受到了一定的限制, 因此通过实验的方式来对引燃过程中排放物质的特性、天然气以及柴油的用量和比例、引燃时发动机的温度等数据资料进行整理和研究具有十分重要的意义。
一、实验背景
(一) 发动机燃料缺失
《2017年国内外油气行业发展报告》指出, 当前全球的油气行业正在逐渐回暖, 国际油价整体上升, 布伦特原油期货年均价将为60-65美元/桶, 波动范围50-75美元/桶。而在中国市场, 随着居民消费能力的不断上升以及原油产量的逐渐下降, 我国对国外石油的依存度也同比上升了三个百分点。随着云南石化等企业的建建设和生产工作的开展, 成品油的产量同比增长了3.5%, 但是受到出口配额调控的影响, 全年总出口量降至6.8%, 而过去5年成品油净出口量平均增速高达50%。在石油能源储备量下降情况下, 欧美等地的发达国家都在积极寻找更绿色环保的替代能源来面对石油危机, 提高生产产品的国际竞争力, 占据国际市场, 而天然气由于其节能、环保、资源丰富、价格低等优势, 在使用过程中不仅能够降低使用成本, 还能够减轻由于工业发展带来的环境压力, 所以天然气逐渐成为发动机替代石油燃料的不二选择。在此环境之下, 中国也正面临着工业企业转型升级的重要问题, 因此, 对天然气的特性和柴油引燃天然气的双燃料燃烧机理进行研究具有重要的意义。
(二) 环境问题的加剧
2018年美国哥伦比亚大学和世界经济论坛等机构联合发表了一份关于《2018全球环境绩效指数》的文件, 主要对全球的环境状况做了一个具体的调查。实验结果表明, 在全球环境绩效指数排行榜中, 中国由于不合理的能源使用等问题排在了第120位, 而在空气质量问题上更是排在倒数第四位。在污染问题逐渐严峻的形式之下, 各个国家都加快了相关污染物排放法规的制定以及工业生产过程中节能减排技术的研发进程。为了更好地相应国际社会的号召, 解决在经济发展过程中的引发的环境恶化问题, 我国从工业生产污染的源头出发, 加大了工业生产研发技术的投入力度, 对发动机产生有害物质的原理进行了研究, 并从控制燃烧方式的角度入手, 提出了柴油引燃天然气的双燃料燃烧方式。实际的推广和工业运用的结果表明, 双燃料燃烧可以减少高耗能柴油的使用使发动机在工作的过程中降低排放量和耗能量, 达到国际排放标准。
二、实验所需设备及实验流程
(一) 实验设备
实验前要准备两块石英玻璃, 分别放置在可以观察过程的单缸发动机的燃烧室底部和缸盖部分, 从而形成一套可以在有背景光和无背景光两种情况下对混合气体燃烧过程进行观察的光路系统, 并利用高速数字摄像对燃烧的过程进行记录。
(二) 实验流程
首先要将发动机的转速调到规定的数值, 同时将天然气的流量控制在实验所需的比例, 再通过控制系统打开喷油嘴, 将柴油导入气缸内部, 其次启动高速数字摄像进行拍摄和记录, 将每5到6个发动机工作循环作为一次记录的结果。
三、实验过程中产生的燃烧现象分析
(一) 柴油引燃天然气的双燃料的着火过程
在双燃料着火时, 空气和燃油已经达到了充分的融合, 对比纯柴油着火时的情况可以看到纯燃油在着火时燃烧室中仍然有燃油束存在, 而且双燃料的着火形式呈现离散分布在燃油室中的现象, 而纯柴油的着火现象则呈现出混合边着火的情况, 且通过对比可以发现双燃料的着火点明显多于纯柴油, 在无背景光下观察情况则更为明显。
(二) 柴油引燃天然气的双燃料的燃烧过程
根据高速数字摄像的记录可以发现, 在热值相等的前提下, 双燃油的燃烧亮度相比纯柴油更暗, 火焰不是如纯柴油一般沿着燃油束来燃烧, 而是均匀地点燃整个燃烧室。通过对比燃烧特性参数可知, 在发动机转速都为1000 r/min的前提下, 双燃油的着火点出现时刻为3.3。CA, 纯柴油为-4.2。CA, 引燃柴油为-2.1。CA, 纯柴油的着火点出现时间最早;在同样的前提下, 滞燃期的数据分别为26.4、20.4、25.8r (。CA) ;燃烧持续期的数据分别为57.8、79.2、25.2i (。CA) 。由此可以得出结论:纯柴油的着火出现时间虽然是最早的, 但是与双燃料相比, 燃烧持续期更长, 并且随着发动机转速的不断增加, 其持续期的数值还有明显增大的趋势[1]。
(三) 发动机内气缸压力的变化
在初期的燃烧过程中, 双燃料的燃烧压力增长极快, 相比之下纯柴油的燃烧压力增长较为缓慢。对比二者的压力峰值可以发现, 虽然前期的压力增长速度较快, 但是双燃料的压力峰值到达时间比纯柴油要长, 且峰值比纯柴油要高。通过对这些现象进行分析可得, 双燃料是一个快速放热的等容预混燃烧, 而纯柴油是一个放热较缓的扩散燃烧[2]。
(四) 双燃料燃烧的稳定性分析
在发动机正常稳定工作的前提下, 双燃料燃烧过程中产生的压力峰值标准差高出纯柴油五倍以上, 出现了明显的燃烧循环变动现象, 并且这种变动还在随着实验过程中替代率的上升而不断显著, 并在到达一定的混合器浓度时双燃料的燃烧变动逐渐平稳。
对这一现象进行进一步的研究可以发现, 双燃料的不稳定性产生原因主要为:第一, 混合气体中天然气和柴油的比重没有得到很好的分配, 天然气的使用比例过高, 使柴油被天然气包裹, 在包围环境中氧气缺失, 无法正常着火。另外, 柴油的使用比例过低还会导致喷油雾化性能下降, 从而无法使柴油正常燃压着火。第二, 点火能量小, 无法促进天然气和空气的混合气体的燃烧, 产生失火以及燃烧恶化的现象。
四、实验过程中产生的排放现象分析
(一) 碳氢化合物的排放
当负荷较小时, 双燃料引燃发动机的氢碳化合物排放量上升, 高于纯柴油引燃的发动机排放量六十倍左右。产生这一现象的原因为, 在空气与天然气充分融合的过程中, 产生的混合气体过于稀薄, 无法完全点燃整个燃烧室。
当负荷逐渐增大时, 双燃料引燃发动机的氢碳化合物排放量与纯柴油引燃发动机的排放量接近一致, 主要原因为, 在负荷量增大的过程中, 柴油和天然气混合产生气体的浓度增大, 燃烧过程中温度也在不断提高, 大多数的柴油和天然气也达到了完全燃烧的效果。
当喷油正时的增大, 小负荷的双燃料引燃发动机出现了十分明显的碳氢化合物排放量下降现象, 产生原因是喷油正时增大也导致了燃料氧化时间拉长。
(二) 二氧化碳的排放
双燃料引燃发动机在工作的过程中一氧化碳的排放量约为传统纯柴油引燃发动机的百分之七十左右, 这一现象产生的主要原因是天然气燃料本身具有热值高、质量低以及含碳量低的特性, 每克的甲烷完全燃烧可以产生的二氧化碳含量仅为2.75g而纯柴油的二氧化碳产生量则为3.2g。并且双燃料引燃发动机的二氧化碳还会随着喷油正时的增大而不断减少。二氧化碳和水是双燃料完全燃烧的排放物, 所以对这两种物质的排放量进行分析可以在一方面了解到内燃机的热效率。
(三) 一氧化碳的排放
在小负荷状态下, 双燃料引燃发动机的一氧化碳排放量上升, 且排放量会随着负荷程度的增大而不断减小到与纯柴油引燃发动机排放量差不多的数值。主要原因是小负荷的状态下柴油与天然气的混合气体浓度不足, 天然气无法达到完全燃烧的效果。此外, 喷油正时和引燃柴油量的增大也会使双燃料引燃发动机的一氧化碳排放量降低。
(四) 氮氧化物的排放
较之与纯柴油引燃发动机, 双燃料引燃发动机的整体工作过程中氮氧化物的排放呈现减少的趋势。天然气的预混合燃烧以及纯柴油的扩散燃烧是双燃料发动机燃烧的两个关键部分, 与纯柴油引燃的方式相比, 新型的双燃料引燃方式减少了柴油的使用量, 进而使扩散燃烧中主要产生的氮氧化物的排放产生了明显的下降趋势;而预混合燃烧中的氮氧化物排放量的下降则主要是因为小负荷时的燃烧温度低, 而大负荷时天然气以气体的形式进入到汽缸当中, 占据了一部分的空气, 使氧浓度下降。
除此之外, 随着小负荷状态下引燃柴油喷油量的增加, 双燃料引燃发动机会随着燃烧温度的增加而加大氮氧化物的排放;在大负荷状态下, 双燃料的燃烧充分, 氮氧化物的仍然维持在排放量增高的状态下, 并逐渐随着ERG率的升高而降低, 而降低现象产生的主要原因是ERG将废旧气体引入气缸内从而稀释缸内工质, 造成氧浓度下降, 冷却燃烧过程中产生的热量, 从而使氮氧化物的排放下降。在实验的过程中虽然出现了氮氧化物排放量上升的状况, 但是上升的排放物总量仍旧符合国际社会的排放准则。
(五) 烟炭的排放量
通过对实验过程中使用的石英玻璃的透光度进行分析可以发现, 双燃料在发动机进行了五个循环之后, 玻璃的透光度和循环之前相差不大;但是等热值柴油在发动机工作结束之后, 石英玻璃的透光度明显下降, 并在玻璃的右下角出现了积碳的现象。
与纯柴油的引燃方式不同, 双燃料燃烧过程中产生的烟炭排放数量十分小, 在实验的过程中也很难观测得到, 这主要是因为甲烷是天然气的主要组成部分, 碳原子数较低从而减少了烟炭的排放数量。除此之外, 在常温常压的状态下, 天然气以气体的方式存在, 并与发动机内地空气进行了融合, 产生的混合气体的质量也比较高, 所以在实验过程中产生的烟碳都是来源于柴油的燃烧, 具体可以用柴油燃烧过程中烟炭生成的原理来进行解释。
值得注意的是, 双燃料引燃发动机在工作过程中产生的烟炭都会在空气与天然气的混合气体燃烧的时间内再次燃烧, 达到了良好的环保效果。
五、实验结论分析
通过对以上现象进行分析, 可以得出如下结论:
(1) 在空气和燃油已经达到了充分的融合的状态下, 双燃料产生了着火现象;
(2) 引燃柴油产生的多点火源诱发了天然气着火现象的产生;
(3) 相比纯柴油而言, 双燃料的燃烧速度快, 并且结束的时间较早;
(4) 双燃油的压力峰值达到时间较晚, 但是峰值较高;
(5) 双燃油燃烧工程中排放的烟炭量较少, 其主要原因为多点火源的定容预混燃烧;
(6) 双燃料在压缩终点的温度要比纯空气低, 因此导致了混合气的自燃时间受到影响而延迟。
因此, 双燃料的燃烧具有明显的优势, 它作为一种燃烧速度更快、燃烧更均匀的定容均值预混燃烧, 与传统的纯柴油燃烧相比有很大的不同, 这种双燃料燃烧的方式会产生极高的压力, 同时燃烧的持续周期也较短, 但是它的燃烧点分布较为均匀合理, 且燃烧过程中的排放较少。利用这种燃烧方式, 可以使发动机的燃烧过程变得更为节能环保, 从一定程度上是工业企业对可持续发展战略的响应与坚持。
六、结语
综上所述, 能源的有效利用是当今企业和国家重点关注和急需解决的问题, 在节能环保和产业转型升级的要求之下, 使用柴油引燃天然气的双燃料燃烧方式成为了新型的燃烧形式之一, 但是新兴技术在发展的过程中仍然存在着不足之处。为了推动燃烧学这一学科理论的完善、使引燃的方式变得更为环保, 就必须要加大资金和技术的投入, 强调理论创新和完善的重要性, 不断深入基础性研究, 在研究的过程中通过不断解决问题来积累经验, 从而弥补认识上的不足, 只有这样才, 才能推动双燃料燃烧方式的推广和完善, 进一步减少烟碳排放量, 为高污染高能耗现象的改变做出一定的贡献。
摘要：随着国家对燃烧学重视程度的不断上升, 有关燃料燃烧原理的实验也相继开展。在此背景之下, 本文使用数据采集技术和高速数字摄像技术来对柴油引燃天然气过程中发动机的温度、气压的变化等参数进行了收集和研究, 旨在为燃料燃烧机理的完善提供参考。实验结果表明, 双燃料的燃烧方式具有多点着火型预混燃烧的特点, 与传统的柴油引燃的方式相比, 引燃时间缩短, 排出的污染物质较少, 但是发动机内的气压增高, 爆发时产生的压力也较大。
关键词：柴油引燃,天然气,双燃料燃烧
参考文献
[1] 宋建桐, 李婕, 刘敏杰, 等.柴油引燃天然气双燃料发动机燃烧与排放特性研究[J].小型内燃机与车辆技术, 2016, 45 (1) :84-87.
[2] 潘玉萍, 张波, 朱赞, 等.预喷参数对柴油引燃天然气双燃料发动机性能影响的试验研究[J].装备制造技术, 2017 (6) :219-222.