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前面。小卡。Eng。2022年9月12日
秒。热引擎
卷2 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fther.2022.870077

性能、排放和methane-diesel双燃料发动机的燃烧特点:审查

工程学院,印度科技学院的大市场、大市场,印度

甲烷是一种流行的内燃机替代燃料由于其可用性在甲烷水合物等多种形式,天然气,沼气,压缩天然气,液化天然气,合成天然气,管道天然气。甲烷可以有效地用于现有的柴油发动机在双燃料模式下进行。双燃料技术有助于桥梁现有传统燃料和气体燃料的替代传统的引擎。甲烷的属性,包括它的热值高,丰富的扩散,和更广泛的可燃性限制使其合适的燃料为提高压缩点火发动机在双燃料模式下的性能。Methane-diesel双燃料发动机减少汽车污染的有效技术和部分取代传统燃料运输的应用程序。因此,全面审查文档需要利用各种途径甲烷双燃料发动机。本研究批判性燃烧相比,噪音,各种methane-fueled发动机的性能和排放特征来识别当前的挑战和未来的角度协同使用减少内燃机排放的甲烷。

介绍

石油产品的消费量增加每日随着用户数量的增加。然而,石油资源是有限的东京电力公司,2009),预计将在未来几十年里完全耗尽。2018年,石油输出国组织(OPEC)报道全球1.49798万亿桶原油储备(石油输出国组织,2020年)。最近的研究显示,全球石油需求将上升到2019年和2025年之间的570万桶(石油输出国组织(opec), 2020;国际能源署,2020)。然而,有限的石油储备可以满足这种日益增长的需求,只有53年(csmonitor 2014)。此外,增加石油产品和进口石油价格影响国内生产总值(GDP)的净petroleum-importing国家(石英,2014)。2019年英国石油公司报告显示,印度在2018年进口了2.275亿吨原油(戈斯,1982),耗资约1250亿美元(底,2018)。此外,污染物排放量不断增长的交通部门威胁人类生命。后处理设备和燃油喷射设备已经申请排放问题的有效的解决方案在过去5年(特里帕西et al ., 2017 a;特里帕西et al ., 2017 b;唠叨et al ., 2017;特里帕西,达2017)。这些设备和设备是有效的但在车辆增加机械部件的数量,除了造成挑战,价格上涨空间。因此,交通部门的最近的研究也试图找到清洁高效传统内燃机替代燃料(毛et al ., 2020;Stančin et al ., 2020)。混合和双燃料模式选项桥柴油和替代气体燃料。选择运输燃料比汽油和柴油燃料的其他。近几十年来,研究人员探索替代燃料如氢气、甲烷、生物柴油和醇(舒克拉et al ., 2017;沙玛,达2018;特里帕西et al ., 2020 a)。印度可以以甲烷燃料如果大规模的天然气水合物的主要生产商有效地实现了机器人的处理和沼气净化(2010年德米尔巴什)。有87 - 96%的甲烷和乙烷的一小部分,丙烷、异丁烷、丁烷,印度生产了98.58471亿公制标准立方米的天然气在2016 - 2017年(State-wise总值2014)。

使用气体燃料的车辆是一种有效的方法来减少有害污染物(沙玛,达2018 b;唠叨et al ., 2019 a;特里帕西et al ., 2019)。可用在各种气体燃料,甲烷和氢气已成为首选的选择引擎的应用程序。相比,氢气,甲烷是一种极具吸引力的选择作为车载存储1)它需要更少的空间和更少的漏问题由于其密度相对较高,2)更少的危险,需要更少的安全设备由于其较高的点火能量的氢相比,和3)相比,它在本质上是轻松和丰富的氢。沼气或天然气的大规模使用在现有内燃机舰队提供了许多污染减排的优势。在世界大部分地区,柴油预计将继续作为主要运输燃料至少二十年。减少城市污染是一个全球紧急需求在大多数城市栖息地。评估上下文中的气态燃料作为一个桥梁的作用,发展协同策略,使现有的IC引擎清洁剂,连同其他引擎技术的发展,本研究关注methane-diesel双燃料内燃机。

甲烷的可用性

还可以制造出甲烷发动机利用不可再生和可再生能源。甲烷是天然气的形式在本质上是十分充裕的化石燃料。因此,甲烷是一种极具吸引力的选择未来内燃机燃料。甲烷的主要来源下面讨论可用性。

不可再生的甲烷来源:天然气

甲烷是天然气的主要组成部分(表1)。天然气是由动物物质的分解和植物高压下厌氧细菌。

表1

表1。天然气成分(Faramawy et al ., 2016)。

有三种类型的天然气:1)生物,2)主要产热的,3)二级产热的。生物天然气从有机物质在低温下形成。它主要是干燥和包含甲烷作为主要组件。主要产热的热裂解天然气产生的有机质成烃,液体和气体。二次热成因天然气产生的热裂解石油气体和火成沥青。在更高的温度和热成因天然气形成深度。它包含甲烷和乙烷、丁烷propane-like湿气体组件和冷凝碳氢化合物(pow-methane)。最近的研究表明,天然气是一个占主导地位的替代燃料在可用的选择和显示承诺作为燃料由于其1)容易获得,2)相对较低的成本,3)较高的热值,4)低风险与氢相比,5)降低生产的_x和烟尘排放量柴油发动机在双燃料模式下,净化和6)现有的基础设施,交通,和许多国家的再充填(Semin Bakar, 2008;沙et al ., 2011;Alcheikhhamdon Hoorfar, 2016;Faramawy et al ., 2016;魏和耿,2016;你et al ., 2020)。天然气目前广泛应用于各种形式如天然气、bio-CNG,液化天然气,PNG,合成天然气。压缩天然气(CNG)是天然气储存在20 - 25兆帕斯卡在圆柱形或球形容器的压力。使用天然气在交通部门减少污染物的问题,但增加燃料储存和分销成本。CNG汽车的数量每年增长30% (能源,2016)。Bio-CNG中领先一步CNG应用在柴油机从可再生能源供应甲烷(Channappagoudra et al ., 2020)。液化天然气(LNG)是天然气冷却到25公斤−162°C和帕斯卡的压力压缩成液态,存储在船舶运输。液化天然气体积的减少导致更高的天然气。液化天然气的能量密度高1.4 - -2.4倍相比,天然气(相比之下,1992年)。液化天然气在城市大规模的甲烷供应提供了一个解决方案(Hribar et al ., 2019)。管道天然气(PNG)是天然气通过管道提供。LPG(液化石油气)相比,PNG是经济安全输送21岁毫巴(200倍低于液化石油气)(2019年古吉拉特邦)。合成天然气)从煤炭、天然气生产沼气、木、或其他有机物,主要包含甲烷作为它的主要组件(Kopyscinski et al ., 2010)。

可再生能源的甲烷:沼气

沼气产生的分解食物,人类和动物废物一个无氧的环境(Bedoićet al ., 2020)。沼气(甲烷是主要的组成部分表2)。

表2

表2。沼气成分(郭和陶氏,2017年)。

沼气产生四个阶段。在第一阶段,有机聚合物分解。在第二阶段,有机酸,在北半球₃H₂、有限公司₂由细菌引起酸化的形成。在第三阶段,H₂,在北半球₃、有限公司₂,CH₃通过有机酸羧基形成。在第四阶段,CH₄和有限公司₂形成。印度和中国自1960年以来一直关注沼气生产。印度主要是利用浮鼓消化器,而中国主要是利用固定的圆顶消化器沼气生产。米塔尔等人报道,印度生产的20.7亿米³2018年/年的沼气。印度有500万家庭沼气发电厂,400沼气离网植物,56个操作沼气工厂(米塔尔et al ., 2018)。自2006年以来,沼气已成为主要的汽车燃料的市场需求在瑞典,而天然气(Hameedi 2018)。最近的研究显示,沼气是首选双燃料发动机在single-fuel引擎(Deheri et al ., 2020;Khayum et al ., 2020)。沼气中的甲烷含量可以增加1)肥料的挥发性固体比例增加,2)的有机和无机化学浆,3)肥料的预处理,4)温度范围的正确选择对于嗜常温和高温厌氧消化,和5)提高混合过程增加底物之间的接触和细菌数量,6)创建人工细菌生长所需条件(他,:2004)。沼气升级成bio-CNG通过各种技术,包括1)物理和化学吸收,2)变压吸附,膜分离,4)低温分离和5)水擦洗(Singhal et al ., 2017)。Gielen等人预测,全球能源供应总量的63%到2050年将通过可再生能源。超过30%的可再生能源将通过生物量;剩下的可再生能源将提供通过风能、太阳能、水力、地热及其他来源(Gielen et al ., 2019)。

甲烷水合物:一个有前途的丰富来源

除了天然气和沼气,甲烷水合物也是一个丰富的甲烷来源。甲烷水合物甲烷分子的有一个像冰一样的晶体被困在H₂O分子。这冰的融化释放CH₄(王)。甲烷水合物甲烷密度最高的来源(1米³融化的甲烷水合物释放大约160米³CH的₄气体)。一些人估计报告10的存在¹¹十亿美元³甲烷的甲烷水合物的形式在海洋和冻土(eniscuola)。据美国地质调查局,阿拉斯加北坡包含天然气水合物储量约25.2 -157.8万亿立方英尺,平均值约85万亿立方英尺(水合物,2008)。甲烷水合物(CH₄6小时₂O)形成在低温(-15°C)和高压(20条)在大部分CH的存在₄和H₂O分子(eniscuola)。

甲烷作为IC的替代燃料发动机

甲烷的预测高需求促使研究人员升级甲烷的NG的特点和发展更多的CNG / PNG NG / L /产业安全和经济的分销网络(Purwanto et al ., 2016)。甲烷没有碳碳键和木头的比率最低的丰富碳氢化合物。这些化学性质使甲烷干净和有前途的燃料内燃机。Methane-enriched燃料的车辆较低生命周期的温室气体排放相比传统的柴油燃料(Ou et al ., 2012)。响强度、噪声的主要原因,减少了天然气补充柴油发动机燃烧期间减少峰值压力(克里斯汀•et al ., 2016)。敲门趋势降低了天然气补充在柴油发动机不正常燃烧的机会减少预拌天然气与空气(克里斯汀•et al ., 2016)。直接相关的绝热火焰温度低碳原子的数目对天然气和柴油相比,导致较低的没有_x排放(Glaude et al ., 2010)。卡里姆表示,柴油发动机的高压缩比支持补充甲烷(卡里姆,2003)。Karagoz等人报道,优化天然气补充柴油发动机导致低排放的烟,烟灰,没有_x相对于纯柴油操作(Karagoz et al ., 2016)。大多数的新发现的替代燃料的挑战在确保大规模供应由于有限的生产;相比之下,甲烷没有这些挑战,因为它拥有大量储备的形式在自然界中天然气(Eren和Polat 2020)。此外,可以大量生产的沼气甲烷,这是一个有效的技术管理家庭和动物废物(Tabatabaei et al ., 2020 a;Tabatabaei et al ., 2020 b;Guilera et al ., 2020;Qyyum et al ., 2020)。甲烷也可以利用现有的发动机没有太多修改(特里帕西et al ., 2020 a;特里帕西et al ., 2020 b;特里帕西et al ., 2020 c)。甲烷的基本功能描述表3(Di人工et al ., 2016 a;Di人工et al ., 2016 b)。

表3

表3。甲烷和柴油的性质。

甲烷燃烧性能差,包括高比热容,缓慢的燃烧率,更少的反应性,低能量存储密度和液体燃料相比,高压缩比要求自动点火,和比柴油自燃温度高(Di人工et al ., 2017)。这些可怜的燃烧特性可能会遇到当考虑甲烷作为燃料的压缩点火发动机。甲烷可以注入火花和压缩点火发动机。然而,注入的甲烷在火花点火引擎是有限的,因为1)容积效率低的甲烷与汽油燃料相比,2)爆震倾向的甲烷由于其高辛烷值,3)高压缩比的甲烷(歌et al ., 2017)。没有此类限制压缩点火发动机。直接喷射和港口燃油喷射技术流行甲烷注入压缩点火发动机。甲烷是具有挑战性的直接注入由于喷油器的操作的复杂性和持久性。港口燃油喷射的甲烷是一个容易的过程,现有的压缩柴油点火发动机略有修改为双燃料压缩点火发动机。在港口燃油喷射,甲烷是自然吸气式空气通过进气歧管基于能源份额替代柴油通过空气的体积位移(特里帕西et al ., 2020 a;特里帕西et al ., 2020 b;特里帕西et al ., 2020 c)。在这种技术中,甲烷和柴油喷射控制是独立的。在缺乏甲烷,车辆可以使用纯柴油。这个特性鼓励大规模实现以最小的修改现有的引擎和激励研究人员进一步探索甲烷双燃料发动机作为一个传统的柴油车辆和未来的甲烷发电车辆之间的桥梁。在交通运输领域,应用车辆占主导地位,因为1)天然气不需要精炼:正常处理足够的直接作为发动机燃料;2)天然气可以通过管道供应网络;因此,没有存储相关的挑战,道路交通,和其他中断供应系统;3)天然气不经历蒸发损失,相反大多数液体燃料,4)甲烷是最便宜的燃料柴油、汽油、液化石油气;此外,甲烷是经济的使用,相对于柴油45%,相对于汽油,65%和30%相对于液化石油气;6)有限公司₂汽油动力汽车相比排放降低25%;7)甲烷不会排放的颗粒物,苯,和芳族烃;8)CO的排放,不_x,所以₂减少相比传统的燃料(感谢2011)。甲烷是一种非常有前途的即将到来的燃料。因此,许多城市正在安装管道进行甲烷交付以最小的损失和泄漏(Ahmadian Behrooz 2016)。本文的后续部分审查的甲烷利用各种方法压缩点火发动机,特别强调甲烷双燃料发动机。

生命周期评估methane-fueled引擎

生命周期评估(LCA)技术有助于确定环境因素与生命周期的每个阶段相关的任何产品或服务(美国环境保护署,2006)。生命周期的各个阶段的提取原料,生产、使用和处置任何产品或服务。本节讨论的LCA methane-fueled车辆。在LCA,一度和Xunmin (2019年)报道,液化天然气和CNG-powered重型卡车显示11.17和5.18%低生命周期温室气体排放柴油卡车相比。他们还总结称,天然气的生产和供应导致了生命周期的甲烷排放总量的86.7%。本特松等人进行了一个比较LCA的液化天然气和重油(Bengtsson et al ., 2011)报道,液化天然气的使用减少了没有_x排放90%和20%的全球变暖而重油。元等人报道,轿车和卡车推动天然气或液化天然气导致17最大值和生命周期温室气体排放减少15%相比,传统的化石燃料(元et al ., 2019)。甲烷泄漏是2%的整个生命周期的温室气体。国内天然气供应链组成甲烷泄漏及其运输总量的67%贡献42 - 86%的甲烷泄漏。此外,在评估生命周期成本每辆车,柴油和天然气的替代轻型卡车导致生命周期温室气体排放的34%,储蓄30000美元(Shahraeeni et al ., 2015)。Papong等人bio-CNG的生命周期分为六个步骤(Papong et al ., 2014):1)消化,2)清洗和升级,3)压缩,4)运输、5)加油站加油、6)在内燃机燃烧或使用。在这些步骤中,升级步骤是能源消耗的主要步骤,它消耗了42 - 48%的能源消费总量。的生命周期分析表明,温室气体甲烷泄漏的主要原因是温室气体的排放。这种情况也发生在升级和消化步骤(Papong et al ., 2014)。天然气显示最低的生命周期温室气体排放比传统柴油和汽油燃料(Biernat et al ., 2021)(图1)。

图1

图1。生命周期评估不同燃料的温室气体排放(Biernat et al ., 2021)。

Methane-fueled引擎

甲烷普遍用于火花点火引擎single-fuel模式因其更高的自燃温度。火花点火发动机压缩比有限,这也限制了发动机的效率。一旦产生,火花是不够的燃烧甲烷因为甲烷火焰速度较低(甘比诺et al ., 1991)。虽然双火花塞可以帮助解决这个问题,柴油双燃料模式有效地解决了这个问题通过提供几个点火来源。这些多个点火来源提供不同diesel-air燃烧室内部的包。甲烷火花点火发动机燃烧稳定性和发电的问题,这可能是有效减少废气再循环技术;然而,这减少了发动机效率(Blarigan et al ., 2012)。甲烷火花点火引擎功率和热效率低3%减少10%相比,在汽油发动机(Gonca et al ., 2018)。甲烷火花点火发动机泵损失也有问题和糟糕的部分负荷效率(Konigsson 2014)。甲烷单一燃料压缩点火发动机没有获得承认,有以下原因:1)较高的压缩比;2)需要重大修改点火系统和汽缸的设计;3)较高的自燃温度和低反应性的甲烷4)越高比热容;5)燃烧速度越慢。甲烷双燃料发动机有可能解决这些问题通过补充甲烷与其他燃料,可以弥补穷人燃烧甲烷的性质。

Methane-diesel双燃料发动机

比较的甲烷双燃料压缩和火花点火发动机表现出更高的效率和更低的排放甲烷双燃料压缩点火发动机(卡里姆,1982)。甲烷是纳入压缩点火发动机通过直接或港口燃油喷射的方法。甲烷直接注入柴油压缩点火发动机需要特殊处理甲烷和柴油燃油喷射注射器。布朗等人报道,飞行员柴油注入量增加主柴油机的缸内温度和燃油喷射点火执行后的高效燃烧的甲烷M-DDF引擎(布朗et al ., 2011)。甲烷直接注入柴油压缩点火发动机不是首选,因为1)缺乏燃料灵活性,防止发动机在single-fuel模式下运行如果柴油不可用,这不是一个问题在port-fuel模式的地区指定基金引擎,可以运行引擎在单柴油模式,2)un-throttled操作对应于混合不当直接注入甲烷发动机汽缸的混合,而没有得到足够的时间参与扩散火焰燃烧,3)复杂的和昂贵的处理,4)高排放水平的CH₄,没有_x和颗粒物(Konigsson 2014)。在港口燃油喷射M-DDF引擎,甲烷是自然吸气与空气通过进气歧管(图2)。提供甲烷的数量取决于能量的甲烷和柴油燃料,是通过位移的风量的摄入量。甲烷和柴油喷射控制是独立的。没有甲烷,柴油的汽车可以运行,这使得它适合于大规模商业适应以最小修改现有的柴油发动机燃料供给和引擎基础设施。以下部分提供了一个详细的分析港口燃油喷射M-DDF引擎燃烧性能和排放。

图2

图2。策略注入甲烷进入发动机汽缸。

M-DDF引擎特点

比较的甲烷注入策略

图1说明了不同的安排甲烷注入发动机气缸。在甲烷single-fuel火花点火引擎,均匀混合的甲烷和空气被吸入发动机汽缸和火花塞开始燃烧。相同的过程发生在与甲烷补充汽油火花点火发动机。然而,甲烷的补充柴油发动机不能完全取代柴油由于甲烷的自燃温度更高。表4显示了天然气燃烧的比较在不同发动机周期。尽管在化学计量天然气补充奥托循环的效率较低,它的好处是:三效催化转换器(无选择性催化还原设备)可以有效地用来减少都没有_x和CO排放。天然气燃烧在精益燃烧奥托循环发动机通常是由火花塞但微飞行员柴油。电热塞也是一种选择。补充天然气双燃料预拌周期需要一个最低15%的试点启动点火柴油补充注射甲烷(科,2019)。直接注入的天然气需要高压,这就是为什么这些引擎也称为高压直接喷射(HPDI) gas-diesel引擎。在这些选项中,港口燃油喷射自然gas-diesel双燃料发动机是首选,因为他们需要更少的修改现有柴油引擎的转换成双燃料发动机(科,2019)。

表4

表4。甲烷注入策略(科,2019)。

歌等人分析了甲烷缸内直喷火花点火发动机,报告说,注射时间变化有较大的扭矩和容积效率的影响相比,注射压力(歌et al ., 2016)。艾哈迈德等人所描述的三个重要参数对双燃料运行主要依赖;即飞行员柴油数量、甲烷等价比率,和初始温度(Ahmad et al ., 2019)。甲烷补充甲烷缸内直喷柴油发动机高导致了增加点火延迟期和碳氢化合物的排放和减少热释放率,没有_x和烟雾排放(Zhang et al ., 2006)。在这种类型的发动机,高碳氢化合物排放可以有效地解决与柴油喷射时间的变化(刘et al ., 2019)。更高的碳氢化合物和一氧化碳排放的问题在港口燃油喷射自然gas-diesel双燃料发动机可以有效地降低与减少注入飞行员柴油和延迟开始激励时机柴油(公园et al ., 2019)。正如前面所讨论的,港口在柴油机燃油喷射的甲烷是最简单的方法实现甲烷补充与小型柴油机引擎的修改和更高的效率。因此,甲烷港口燃油喷射柴油发动机进一步洞察他们的特征进行分析,以通知重新设计增加M-DDF引擎的效率和有效性在商业和操作环境。

燃烧、噪音和振动特性

柴油燃烧single-fuel non-premixed燃烧的特点是只用于压缩空气和燃料的只有一小部分预拌在点火延迟。特里帕西等人描述,在港口燃油喷射M-DDF引擎,压缩后的空气和甲烷,混合物的温度没有达到柴油的自燃温度,增加点火延迟期(特里帕西et al ., 2020 c)。增加甲烷含量增加柴油发动机燃烧噪声电平(压力上升速率)(斯莱姆,2001;尼尔森et al ., 1987)由于扩展点火延迟期积累大量电荷,伯恩斯突然增加了压力上升速率。发动机负荷是一个重要参数,影响燃烧噪声、燃烧噪声和发动机负荷增加比例。路上的汽车数量的增加不仅创造了有害排放,还产生了高水平的噪音污染。唠叨等人研究了噪声、振动和气体的燃烧特征fuel-supplemented柴油发动机(唠叨et al ., 2019 b)。他们抱怨说,噪音和振动水平相比减少了在纯柴油发动机。甲烷和柴油是两个不同的燃料与不同的反应和物理状态燃烧时燃烧周期相同。因此,分析研究感兴趣的燃烧。振动、噪声或振动发生在自然gas-diesel双燃料发动机由于突然快速燃烧大量的电荷,类似于敲门或响了。响被定义为双燃料燃烧过程中压力波的发生(克里斯汀•et al ., 2016)。这些压力波可能会持续,直到燃烧的结束。响燃烧5-10-fold更高的压力比敲门燃烧振荡,导致更高的噪声(Eng et al ., 2002)。双燃料燃烧技术有助于解决响的负面影响在压力振荡(克里斯汀•et al ., 2016)。燃烧柴油数量减少,响在预混合的区域减少。在低压共轨发动机,可怜的混合但流畅的燃烧,导致更少的响了。在更高的压力,改善混合;当燃烧发生突然,铃声会成为一个问题。天然气注入柴油发动机,敲门和低功率密度所面临的挑战奥托发动机压缩比的限制。奥托循环的结束电荷吸收热量,温度和压力,产生相反的火焰前锋导致敲门(Eng et al ., 2002)。类似事件发生在自然gas-diesel双燃料发动机(克里斯汀•et al ., 2016)。因此,低参数高度依赖cycle-to-cycle缸内电荷的性质的变化。

负载的影响

在低负载或温度条件下,甲烷燃烧延迟是因为1)在较低的温度下,很难打破碳氢键,因为这个反应需要高能量kJ(40), 2)慢攻击通过氧原子,3)甲烷的反应性随温度,和4)减少自由基的可用性在较低温度(格拉斯曼et al ., 2014)。Gunea et al。(1998年)认为M-DDF引擎的性能可以增加较低的负载条件下通过1)使用试点燃料十六烷数量更高,2)降低喷嘴开幕,3)减少绕过过量空气的进气提供更丰富的燃料空气混合物(卡里姆,2003 b),4)跳过发射多缸发动机,5)增加进气预热空气温度的或通过增加水套温度,和5)添加一些其他燃料在轻载条件下(卡里尔和卡里姆,2002年)。在部分负载,只有一小部分参与燃烧的甲烷;剩下的甲烷影响到气缸壁或活塞头或移动和废气。Papagiannakis等人报道,更高的引擎加载导致更高的燃烧压力和热释放率在M-DDF引擎(Papagiannakis Hountalas, 2003)。在双燃料模式下,压力和热释放率增加而增加负载。这些影响发生由于1)燃烧温度和增加2)质量流率的增加。同样的趋势在压力、热释放率、和噪音(压力上升速度)在CNG-methane双燃料发动机与负载变化为其它Abdelaal和Hegab (2012年)。图3表明作为methane-diesel双燃料发动机引擎负载的增加,热释放速率的增加显著(特里帕西et al ., 2020 a)。这发生由于甲烷燃烧的1)更积极的参与在更高的负载,2)增加氧化速率和更快速的化学反应在高负荷,3)增强燃烧的空气燃料比接近化学计量水平更高的负载,和4)增加自由基的数量在更高的负载。

图3

图3。影响沼气能源的份额(MES)在热释放率不同的引擎负载(特里帕西et al ., 2020 a)。

废气循环的影响

甲烷的补充燃料,柴油发动机增加了cycle-to-cycle测量燃烧特性的变化。这个问题可以很容易地解决了利用废气再循环技术。在这种技术中,部分废气与进入的空气流通,减少摄入混合物的比热容和结果在一个较低的燃烧压力、热释放率,没有_x排放。Abdelaal和Hegab燃烧压力降低,热释放速率,噪音水平(压力上升速率)和增加点火延迟期和日益苛刻的图4)(Abdelaal Hegab, 2012)。这些影响发生,因为1)更换氧气与废气循环气体(二氧化碳和水)燃烧室,不利影响燃烧过程,2)点火延迟增加了EGR气体(卡里姆et al ., 1989),3)充电温度下降由于空气与废气循环气体的混合,4)减少氧气的EGR气体的分压,5)的比热容的增加缸由苛刻的指控。自从EGR技术降低了燃烧压力,压力上升的速率也随EGR技术水平增加而减小。因此,燃烧噪声,这是高度依赖于压力上升的速率对曲柄角,也减少了。EGR技术水平较高导致自然gas-diesel双燃料发动机不稳定燃烧陈et al ., 2020)。获利等人关注适度利用有效燃烧(EGR技术水平获利,et al ., 2002)。

图4

图4。EGR对点火延迟的影响和最大压力上升速率在CNG-diesel双燃料发动机(Abdelaal Hegab, 2012)。

甲烷燃料替代股票的影响

Papagiannakis和Hountalas (2003)调查不同的影响天然气比例燃烧压力、热释放率,点火延迟自然gas-diesel双燃料发动机。他们报道增加天然气补充率减少峰值压力和热释放率。天然气比从0到85%的增加导致减少10 - 17.93%的峰值压力加载的40 - 80%,分别。天然气燃烧缓慢,大部分的分数仍未燃烧在燃烧初期,导致减少燃烧压力和热释放率。点火延迟期和燃烧持续时间也会增加与增加的天然气份额。图3证明了降低热释放速率随着甲烷能量分享柴油发动机(特里帕西et al ., 2020 a)。这发生由于氧气和甲烷的更换,导致烷烃的不完全燃烧。随着甲烷份额的增加,methane-diesel双燃料发动机的燃烧压力下降(图5)(特里帕西et al ., 2020 a)。与甲烷增加份额,更多的氧气在进气歧管内容被替换,导致甲烷和其他碳氢化合物的不完全氧化发动机气缸。随着沼气含量的增加在发动机气缸,一个较低的温度达到压缩行程后由于高比热容的甲烷,甲烷这使得它难以实现高自动点火温度与柴油相比,这些对燃烧都有不利的影响。发动机汽缸甲烷含量较高淬灭了火焰在燃烧甲烷火焰传播速度较低,从而导致不完全燃烧。高沼气能源股减少柴油的能源份额,它充当多个点火来源的甲烷发动机气缸。甲烷的点火困难减少了燃烧压力和热释放率。在高负载,MDDF引擎特点在沼气能源份额的变化更敏感甲烷快速参与燃烧温度升高时。因此,在高负载,甲烷补充导致更高的燃烧压力和热释放率相比,在较低载荷。

图5

图5。影响沼气能源的份额(MES) methane-diesel双燃料发动机的缸内压力在不同的负载(特里帕西et al ., 2020 a)。

柴油喷射策略的影响

柴油喷射燃烧的柴油中扮演着关键角色。Yousefi等人研究了柴油喷射的影响策略NG-DDF引擎(Yousefi et al ., 2019)。他们报告说,推进柴油机喷油正时最大燃烧压力增加。先进柴油注入时机提高预拌过程,导致早期开始燃烧和降低点火延迟期。越早开始燃烧增加MDDF燃烧的燃烧压力和热释放率。图6显示了柴油喷射策略对燃烧特性的影响在自然gas-diesel双燃料发动机(Yousefi et al ., 2018)。作为第一个开始注入时机(SOI1)先进28°BTDC,最初开始燃烧(SOC)也先进。SOC先进由于增强预拌的天然气和空气。进一步增加SOI1时间推迟SOC由于发动机汽缸内的温度较低。最大压力上升速率的变化(MPRR)显示这样一个趋势的SOC变化曲线。

图6

图6。SOI1时机对SOC和MPRR methane-diesel双燃料发动机(Yousefi et al ., 2018)。

在M-DDF引擎,甲烷是吸和压缩空气。温度达到最后air-methane混合物的压缩比,压缩后的纯空气。这是因为甲烷的高比热容比空气。因此,甲烷的浓缩在柴油发动机导致缓慢燃烧,降低缸内压力和嗯相比纯柴油的操作。一般来说,嗯与燃烧柴油的曲柄角曲线显示了四个阶段;即点火延迟期其次是预混合燃烧和燃烧时间控制,最后燃烧阶段。在柴油中,mixing-controlled燃烧燃烧阶段还有很长的时间,期间柴油主要是焚烧。在双燃料燃烧的情况下,甲烷浓缩增加预混合的燃料混合物,伯恩斯突然完全或部分跳过mixing-controlled燃烧阶段根据浓缩(魏和耿,2016)。嗯MDDF引擎曲线的峰值低于纯柴油操作,当甲烷燃烧和释放热量缓慢。一些研究也报道了相反的趋势压力和与甲烷的浓缩嗯,正如前面所讨论的。这些研究报道,甲烷的浓缩在柴油导致更高的热释放率将增加哦,激进的形成,以及增加点火延迟期(藏et al ., 2016;魏et al ., 2018)。在双燃料燃烧,燃烧主要发生在燃烧后阶段,这解释了较高的排气温度。MDDF引擎有一个扩展的点火延迟期补充甲烷改变自由基和混合过程的数量,这就增加了物理延迟和抑制柴油的自燃温度(卡里姆et al ., 1989)。补充甲烷在柴油发动机燃烧的开始和扩展点火延迟,将燃烧整体向扩张中风导致减少制动功率输出。镍锰合金等。2015年)报道,案件与燃烧点火延迟主要由柴油喷射控制策略和独立的注入大量的甲烷。燃烧噪声(压力上升速度)随负载由于点火延迟的增加,累积更多的燃料,燃烧突然增加的压力增加率。低发动机转速会导致较低的气缸压力和嗯由于降低缸内燃烧过程温度和更多的时间。表5总结了燃烧特性,以及对比结果柴油发动机的燃烧特性和methane-diesel双燃料发动机。研究结果对甲烷的柴油发动机是有争议的。虽然大多数研究报道减少峰值压力和甲烷,嗯,一些研究报道相反。然而,并没有分歧在文献中关于点火延迟的增加与甲烷补充。表5描述了参数的变化对燃烧的影响特点MDDF引擎。大多数研究表明,增加负荷导致峰值压力增加,嗯,CD,和燃烧噪音。相比之下,增加速度、EGR技术水平和甲烷能源份额减少峰值压力,嗯,CD,和噪音。

表5

表5。MDDF发动机的燃烧和噪声特征。