DOI:10.11990/jheu.201603090
, , , , 2. 大连理工大学 能源动力学院, 辽宁 大连 116023;
3. 大连民族大学 机电工程学院, 辽宁 大连 116600
, , , , 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
受开采技术的限制，长期以来人们对低浓度煤层气资源大多采取直接排入大气的处置方式[1-3]。由于煤层气中主要可燃组分甲烷的温室效应及对臭氧层的破坏能力远高于二氧化碳[4]，因此这种简单的处置煤层气的方式带来了严重的环境问题；而且煤层气的储量巨大，直接排空导致了严重的能源浪费[5-7]。近年来，随着开采和运输技术的进步，人们已经能够将地面抽采煤层气 (coal bed methane，CBM) 和井下抽采煤层气 (coal mine methane，CMM) 用于驱动发动机发电[1]。这一举措不仅有效地改善了排空所造成的环境污染问题，还极大地降低了瓦斯爆炸事故的概率，取得了巨大的效益。
作为发动机燃料，煤层气具有抗爆性较好、燃烧清洁、启动性好等优点[1]。但与其他气体燃料相比，其缺陷同样显著：煤层气主要可燃成分甲烷的火焰传播速度低[4]，使得煤层气发动机的燃烧持续期长，对经济性有一定影响；煤层气中甲烷的体积分数变化巨大，尤其对于作为超低浓度煤层气中的矿井乏风 (ventilation air methane，VAM) 而言其甲烷含量只有0.05%~1%[1]，这导致煤层气发动机的循环变动较高，同样的原因也造成了煤层气发动机的稀燃性能较差。这些问题使煤层气发动机的发电效率大打折扣，并严重限制了低浓度煤层气发动机上的应用领域。
针对煤层气发动机应用中存在的上述问题，研究者进行了深入的探索。Zuo等在一台经改造的S195发动机上进行了低品位煤层气发动机性能试验[8]，分析了煤层气组分 (CH4、CO2及O2的百分含量) 及负荷变化对主要污染物 (NOx、CO、HC) 排放水平的影响。结果表明，随着CH4含量及负荷的增加，CO及HC排放均有所降低，但NOx的排放升高。李从心等研究了发动机燃用不同组分的煤层气在不同负荷下的缸压、放热率、火焰发展期、主燃烧期及其排放性能[9]。研究结果表明：随着煤层气中氮气体积分数的增加，最高缸内压力和压力升高率降低，燃烧放热率峰值下降，火焰发展期变长，放热率曲线型心对应的曲轴转角偏离上止点；发动机HC和CO排放浓度增大，而NOx排放大幅度下降。Gao等[10]也分别从空燃比控制的角度进行了煤层气运转稳定性研究。
国内外学者在组分变化对煤层气发动机性能及排放影响方面进行了较多的研究工作，但是在煤层气发动机工作稳定性改善、尤其是稀燃能力改善方面的研究成果还较少。而大部分煤层气资源中CH4的含量普遍较少，探索提高低CH4含量煤层气的利用方法、以及改善煤层气发动机工作稳定性的技术至关重要。因此，开展通过燃料调节的方式提高煤层气发动机的工作稳定性并拓宽其稀燃极限的研究，对煤层气发动机发电效率的提升十分必要，同时对煤层气发动机的应用范围扩展也具有重要意义。
本文对一台目前广泛应用于小型发电设备的火花点火发动机进行了改造，并在改造后的试验台上进行了煤层气发动机运转稳定性试验。
1 试验装置及实验方案试验用发动机为单缸、四冲程、风冷的本田GX340火花点火发动机。该发动机压缩比为8.0，排量为337 cm3。为满足本试验要求，对其进行了一定改造：气缸压力采用KISTLER公司的6125A型压力传感器测量，测得的数据由KISTLER 5011B型电荷放大器放大及转换；原发动机是汽油机，试验中在该发动机上加装了自行开发的ECU系统，以实现供气时刻、供气脉宽及点火时刻等的综合控制；在进气道中加装的进气混合器中安装了KEIHIN产气体喷射电磁阀。试验中，保持发动机转速1 500 r/min、最佳点火提前角 (maximum brake torque，MBT) 以及节气门全开 (wide open throttle，WOT) 条件不变。试验所用发动机原机保有量大，但压缩比较低。为了在实际发电机平台上尽可能少的进行硬件改装，在本研究中作者并没有提高发动机的压缩比，而是采用调整燃料组分的方式来实现优化发动机性能的目的。
在试验中，首先以CH4及CO2的混合气模拟煤层气，通过改变当量比及CH4-CO2的混合比模拟实际煤层气组分；随后，采取掺混H2的方法以改善发动机的经济性、运转稳定性并提高稀燃能力。试验所采用当量比Φ范围为0.4~1.0。定义V(CO2) 为CO2在模拟煤层气中的体积百分数，V(CH4) 为CH4在CH4-H2中的体积百分数，V(H2) 为H2在CH4-H2中的体积百分数，其范围分别为：V(CO2) 为0~70%，V(CH4) 为30%~100%，V(H2) 为17%~75%。试验中所采用的当量比Φ定义为所有可燃组分 (CH4+H2) 的总当量比，即Φ=ΦCH4+ΦH2；并且在Φ的计算中仅考虑空气、CH4及H2，不考虑CO2。
为了获得更丰富的实验数据，并使本试验的结果对煤层气、沼气等以CH4为主要可燃组分的燃气发动机研究均有借鉴意义，试验中采用了比实际煤层气可燃组分浓度范围更大的V(CH4)。
2 试验结果及分析图 1所示为煤层气组分对有效热效率的影响。如图所示，随着燃料中CO2含量的升高有效热效率有所下降，而且下降趋势随着CO2含量的升高而逐渐增加。这是因为CO2含量的升高导致了热投入量减少，混合气中惰性成分增多，燃烧速度减慢。当CO2含量大于60%时，有效热效率的急剧下降表明此时燃烧的急剧恶化。
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| 图1 煤层气组分对有效热效率的影响 Figure 1 Effect of fuel component on brake thermal efficiency |
图 2所示为135个连续循环的IMEP变化散点图。本研究中在每个工况下的135个连续循环均为开机一段时间后保持MBT及WOT条件、发动机转速稳定在1 500 r/min、冷却水温度介于50 ℃~90 ℃、扭矩示数稳定后开始计算的连续循环。如图所示，在当量比Φ及CO2含量较低时，IMEP散点分布区间变化范围不大；随着当量比Φ及CO2含量的升高IMEP散点分布区间有所扩大，且扩大的范围逐渐增加。这是由于燃料组分变化导致的燃烧速度及热投入量的变化造成的。循环变动主要是由初燃期火焰传播的变化导致的，CO2的增加势必造成燃烧速度的减慢，因此燃料中更多的CH4意味着更稳定的燃烧过程。
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| 图2 IMEP散点图 Figure 2 Scatter diagram of IMEP |
图 3所示为CO2含量对循环变动的影响。本研究采用COVIMEP作为煤层气发动机循环变动特征的评价指标。其中，COVIMEP定义为IMEP的循环变动系数:
| $ {\rm{CO}}{{\rm{V}}_{{\rm{IMEP}}}} = \frac{1}{{\overline {{\rm{IMEP}}} }}\sqrt {\frac{{\sum\limits_i^N {{{\left( {{\rm{IEM}}{{\rm{P}}_i}-\overline {{\rm{IMEP}}} } \right)}^2}} }}{N}} \times 100\% $ | (1) |
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| 图3 CO2含量对循环变动的影响 Figure 3 Effect of CO2 concentration on cyclic variation |
式中：IMEPi为发动机第i循环的平均指示压力；
如图 3所示，在当量比Φ位于稀燃极限时，即使在较小的CO2含量条件下COVIMEP也处于较高水平；而当CO2含量增加至60%以上时，在各当量比条件下COVIMEP均急剧升高。如前文所述，COVIMEP的恶化归因于混合气中的CO2含量过高时过少的投入热量和过慢的燃烧速度。
从上述试验结果的分析中可以得到：煤层气主要成分甲烷的稀燃极限为Φ=0.63，发动机在稀燃极限条件运转时循环变动很大，经济性较差；当煤层气中CO2含量较高时，发动机的循环变动和经济性均急剧恶化。这是由于煤层气中较高的CO2导致的，这一问题也将导致煤层气发动机的输出功率及转速的大范围变化。但由于煤层气发动机在实际利用中多用于带动发电机发电，这就要求发动机转速稳定。因此，为了改善煤层气发动机的运转稳定性并扩展稀燃极限，本研究采取了掺氢燃烧的方式。为了研究掺氢对稀燃极限及全工况条件下发动机运转稳定性的影响，本试验中在所有当量比条件下均采用了掺氢的策略，并着重考察原稀燃极限、以及较大CO2含量条件下掺氢燃烧的发动机运转稳定性。
图 4所示为掺氢燃烧对煤层气发动机的有效热效率的影响。与单纯煤层气燃烧相比，掺氢对稀燃极限的扩展作用明显，在Φ=0.4的工况下发动机仍能稳定工作，并获得较高的热效率。在当量比Φ一定的条件下，随着掺氢量的增加，有效热效率有所升高，而随着CO2含量的增加有效热效率明显下降。有效热效率的这一变化是由H2及CO2分别对燃烧速度的促进及抑制作用导致的。
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| 图4 掺氢燃烧对有效热效率的影响 Figure 4 Effect of hydrogen addition on brake thermal efficiency |
与图 1所示掺氢前有效热效率的变化情况相比，除个别工况外，随着CO2含量的增加有效热效率均呈现平稳的变化趋势，即使在高CO2含量工况也没有出现有效热效率急剧下降的情况。这说明即使煤层气中CO2含量含量较高时掺氢也能够有效改善燃烧过程，从而获得更多的有效输出。
图 5所示为煤层气掺氢的135个连续循环的IMEP变化散点图。与煤层气燃烧相比，掺氢后IMEP散点的分布范围明显更为集中，仅在Φ=0.4、H2含量为25%的条件下散点分布范围较大。掺氢使得煤层气发动机的工作更加平稳，因此如图 6所示的COVIMEP在Φ为0.4~1.0、CO2含量为0~70%的宽广燃料范围内均能够得到COVIMEP < 5%的理想结果。
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| 图5 掺氢燃烧的IMEP散点示意图 Figure 5 IMEP scatter diagram of hydrogen blended combustion |
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| 图6 掺氢对COVIMEP的影响 Figure 6 Effect of hydrogen addition on COVIMEP |
本研究在一台单缸电控火花点火发动机上进行了煤层气发动机运转稳定性试验，研究了当量比及煤层气中CO2含量对稀燃极限及运转稳定性的影响，并探索了掺氢燃烧对煤层气发动机运转稳定性及稀燃极限的促进作用。结果表明：
1) 随着煤层气中CO2含量的增加，发动机的经济性及运转稳定性均有所下降，当CO2含量较大时此两项指标均急剧恶化；
2) 掺氢后，煤层气的稀燃极限由Φ=0.63扩展至Φ=0.4，且在稀燃极限条件下若采用较高的H2含量则发动机仍能稳定运转 (COVIMEP < 5%)；在各工况下掺氢燃烧均能得到更低的COVIMEP及更高的热效率；
3) 掺氢燃烧能够有效地拓展煤层气稀燃极限并提高煤层气发动机运转稳定性，具有拓宽煤层气发动机应用领域的潜力。
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