补充甲烷对性能的影响、振动和methane-diesel双燃料发动机的排放特性gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

全球能源需求不断增加,传统燃料的污染特征,以及有限的可用性、地缘政治冲突和价格波动有动力产业和研究人员寻找可持续发展和清洁能源(gydF4y2Ba朱棣文和Majumdar, 2012年gydF4y2Ba)。交通行业也一直受到严格的排放标准和破坏性的供应链,因此被世界最高的运输成本。这创造了一个前所未有的需要寻找替代燃料不妥协在当今系统的效率和可应用于目前汽车汽车以最少的改造以支持转变为未来交通需求。gydF4y2Ba

在过去的几年里,各种燃料的运输需求一直在探索研究量表(gydF4y2BaSalvi et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2Ba特里帕西et al ., 2019gydF4y2Ba)。生物燃料,甲醇、电、氢气和甲烷,吸引了很多研究人员和决策者的兴趣由于其潜在的减少有害排放。然而,在这其中,甲烷有能力满足未来能源需求由于其可用性,强大的基础设施和缓解的利用率等不同形式的压缩天然气(CNG)、纯甲烷,天然气管道(PNG)等。gydF4y2BaSahoo et al ., 2022gydF4y2Ba;gydF4y2Ba特里帕西,达2022gydF4y2Ba)沼气中甲烷是主要元素及其提取过程要求加速度满足日益增加的需求(gydF4y2BaChynoweth et al ., 2001gydF4y2Ba;gydF4y2BaChannappagoudra et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2BaDeheri et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2BaPetrollese Cocco, 2020gydF4y2Ba)。此外,甲烷的利用现有引擎需要相对较少的修改在双燃料模式(gydF4y2Ba辛格et al ., 2021gydF4y2Ba;gydF4y2BaSaxena et al ., 2022gydF4y2Ba;gydF4y2Ba特里帕西,达2022gydF4y2Ba;gydF4y2Ba特里帕西et al ., 2022gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

其他使用现有系统中甲烷与柴油的优点是它的清洁燃烧特征相比,柴油(gydF4y2Ba特里帕西et al ., 2020 agydF4y2Ba),以及类似的性能特征,柴油(gydF4y2Ba特里帕西et al ., 2020 bgydF4y2Ba)。甲烷是适合CI的备用引擎自燃温度高,抗爆特性,压缩比高,可比比柴油热值(gydF4y2BaPorpatham et al ., 2008gydF4y2Ba;gydF4y2Ba肖et al ., 2008gydF4y2Ba)。柴油的理化特性和甲烷燃料比较gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba(gydF4y2BaDi人工et al ., 2016gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

修改CI引擎为双燃料发动机的进气歧管喷射的甲烷是一个直截了当的方式利用甲烷CI引擎操作(gydF4y2BaBarata 1995gydF4y2Ba;gydF4y2BaMansor et al ., 2017gydF4y2Ba;gydF4y2Ba特里帕西et al ., 2018gydF4y2Ba)。各种研究过去调查methane-diesel双燃料发动机的性能特征。双燃料运行结果为低排放的烟尘,氮氧化物,有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,比传统CI引擎(gydF4y2Ba卡卢奇et al ., 2011gydF4y2Ba;gydF4y2BaMaghbouli et al ., 2013gydF4y2Ba)。Yun和李发现敲门的现有方法预测柴油机通过调制程度是不完美的,因为这些方法都是基于听力边缘,宽带声音和谐波噪声(gydF4y2BaYun和李,2017年gydF4y2Ba)。现有的文献表明,振动振幅在CI引擎依赖于激振力在振动系统;这主要是由发动机燃烧和其他机械操作(gydF4y2Ba韦伯斯特et al ., 1969gydF4y2Ba)。早些时候的研究探索,活塞敲击、进气、排气和冷却水循环运动中扮演了一个重要的角色在发动机噪音和振动(gydF4y2Ba阿尔弗莱德森和戴维斯,1970年gydF4y2Ba)。尽管已经有许多研究柴油机的振动,很少有研究者工作的噪音和振动分析CI methane-diesel双燃料发动机(gydF4y2Ba1975年詹金斯gydF4y2Ba)。斯莱姆等人甲烷柴油双燃料发动机的测试执行通过修改柴油机双燃料模式和探索甲烷敲阻力高于LPG-diesel双燃料发动机(gydF4y2Ba斯莱姆,2004gydF4y2Ba)。他们还透露,甲烷能量份额的增加会导致更高的压力和噪声水平。Celebi等人进行了实验,以确定天然气的噪音和振动特性和生物柴油补充柴油发动机(gydF4y2BaCelebi et al ., 2017gydF4y2Ba)。他们发现CNG的港口燃油喷射技术是非常有用的在减少噪音和振动水平。最近的一项研究被执行的频率分析LPG-diesel双燃料发动机,探索振动频率范围分布与液化石油气补充合同(gydF4y2Ba奥马尔et al ., 2017gydF4y2Ba)。唠叨等人补充柴油双燃料引擎的氢气和报道,振动和噪音水平降低了气体燃料补充(gydF4y2Ba唠叨et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba唠叨et al ., 2022gydF4y2Ba)。Patro等人研究了噪声和振动相关问题CNG-diesel双燃料发动机和报道,CNG补充导致安静操作(gydF4y2BaPatro们,1999年gydF4y2Ba)。波尔克等人研究了methane-diesel双燃料发动机,探索高甲烷补充导致敲门的趋势,因为它急剧释放热量gydF4y2Ba波尔克et al ., 2013gydF4y2Ba)。这指向一个文学差距和不确定的知识补充甲烷的沼气柴油双燃料发动机的噪音和振动特征。gydF4y2Ba

因此,目前调查地址甲烷补充柴油机的振动特性以及批判性分析的性能和排放特征。此外,现有的挑战失败在部分负载条件和敲高负载条件进行了讨论与甲烷替换词引擎。观察,甲烷替代降低了振铃强度和抑制燃烧的频谱。较低的甲烷补充在低负载条件已贬值发动机的性能。提出网络平均有效压力和排放数据是伟大的除了研究人员重新设计双燃料的引擎模式。gydF4y2Ba

2实验装置和方法gydF4y2Ba

实验进行一个四冲程单缸水冷柴油机缸内直喷,这是内部修改在双燃料模式下操作。测试引擎给出的规格gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

测试发动机安装在一个通用试验台连接到三相异步伺服电机(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。电机是连接到一个负载细胞(Flintec;ULB 100)提供应对测功器的可编程逻辑控制(PLC)单位。,缸内压力传感器(基斯特勒公司6045 b)是安装在汽缸和柴油燃料压力传感器(Kistler 4067 e)安装在补给线。发动机曲轴齿轮在光编码器测量轴旋转0.144°CAD的一项决议。一个加速度计安装在发动机头部记录发动机和燃烧振动。数据采集和电子控制与发动机控制系统(ECS)被处决(NI-cRIO, 9082),该寄存器的压力和速度信号,并允许气体燃料的喷射时间的控制。甲烷被注入到进气歧管使用端口喷油器。甲烷补给线装有两个火焰避雷器(本人,DG91N)和火焰陷阱时确保安全操作。甲烷的流量测量用科里奥利质量流量计(Bronkhorst迷你,CORI-FLOW M14)和柴油燃料量测量使用shear-beam类型负载细胞(Sensortronics, 65089)。 An air-box of capacity 0.2 m^3gydF4y2Ba用于阻尼振荡的吸入空气。提供的空气是量化的帮助下一个孔板和u形管压力计。gydF4y2Ba

总12种不同情况下的实验进行发动机负载和沼气能源股所示gydF4y2Ba表3gydF4y2Ba,整个载荷谱(25% - -75%)和甲烷补充(0% - -100%)是获得的见解在现实世界中实现。发动机转速(1500 RPM)和压缩比(17.5:1)在整个调查保持不变。甲烷注入开始14.5°ATDC,而不是在4°ATDC排气阀关闭时,它允许∼10°曲柄角安全裕度,有9°曲柄角阀后重叠段时间进气阀打开,直到排气阀关闭在4°ATDC。甲烷注入结束后为75.5°bTDC。甲烷注入的时间一直固定在整个调查(90°曲柄角)。注射时间和阀门计时所示gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

天然气供应的压力线固定在3酒吧和通过一个针形阀注射量是不同的。甲烷的能量补充计算通过情商。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在那里,gydF4y2Ba $\mathrm{lgydF4y2Ba}\mathrm{CgydF4y2Ba}{\mathrm{VgydF4y2Ba}}_{\mathrm{米gydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{hgydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{ngydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{50gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{10gydF4y2Ba}}^{\mathrm{3gydF4y2Ba}}\mathrm{kgydF4y2Ba}\mathrm{JgydF4y2Ba}/gydF4y2Ba\mathrm{kgydF4y2Ba}\mathrm{ggydF4y2Ba}$ ,gydF4y2Ba $\mathrm{lgydF4y2Ba}\mathrm{CgydF4y2Ba}{\mathrm{VgydF4y2Ba}}_{\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{年代gydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{lgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{43gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{10gydF4y2Ba}}^{\mathrm{3gydF4y2Ba}}\mathrm{kgydF4y2Ba}\mathrm{JgydF4y2Ba}/gydF4y2Ba\mathrm{kgydF4y2Ba}\mathrm{ggydF4y2Ba}$ ,gydF4y2Ba $\stackrel{\dot{}gydF4y2Ba}{{\mathrm{米gydF4y2Ba}}_{\mathrm{米gydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{hgydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{ngydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}}}$ 是甲烷质量流量和gydF4y2Ba $\stackrel{\dot{}gydF4y2Ba}{{\mathrm{米gydF4y2Ba}}_{\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{年代gydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{lgydF4y2Ba}}}$ 在公斤柴油质量流量每秒。负载变化控制通过dynamometer-torque和分享的甲烷被改变通过质量流量的甲烷。数据集发动机操作达到稳定状态后都被记录下来。gydF4y2Ba

3结果与讨论gydF4y2Ba

调查由于co-combustion气相燃料对发动机特性(在这里,甲烷和柴油)有趣的是作为燃料燃烧有自己的属性。此外,甲烷的熏蒸也影响空气和燃料的混合过程可能转化为意想不到的发动机特性。gydF4y2Ba

3.1补充甲烷对发动机性能参数的影响gydF4y2Ba

平均有效压力(MEP)的测量是一个重要的性能特点和引擎执行工作的能力。此外,它是发动机的关键参数设计和优化。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba描述了总平均有效压力的变化(GMEP)补充甲烷在不同水平和不同发动机负载。GMEP基于燃烧压力在压缩和扩张中风。我们的调查发现,在较低负荷条件下,提高MES相比减少了GMEP整洁柴油操作。在25%负载,MES水平从0%增加到75%,GMEP减少了5.9%。这是因为较低的燃烧温度较低负荷导致不恰当的甲烷参与燃烧。另一方面,在中、高负荷,补充甲烷增加了GMEP。在50%和75%引擎负载,MES从0%增加到75%,分别GMEP增加了5%和7%。这是因为更高的燃烧温度高负荷结果以适当补充甲烷量参与燃烧。同样的,gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba描述了净平均有效压力的变化(NMEP)在不同的引擎负载和不同数量的甲烷能源股。NMEP GMEP类似,不过它计算出整个发动机循环720°。发现在低负载甲烷补充减少NMEP和中等和高等NMEP甲烷补充增加的负载。作为NMEP MES从0%增加到75%,减少6.7%至25%负荷和增加5.8%和6.9%负荷在50%和75%,分别。这个NMEP变化可以解释的基础上,降低温度,GMEP相似。NMEP也有助于Eq后指示功率的理论计算。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

IP是指示功率,PgydF4y2Ba_米gydF4y2BaNMEP, L是中风的长度,是区域内孔,K是气缸数每动力冲程和n多的革命。指示功率的变化在不同的发动机负荷和MES (IP)水平所示gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

GMEP的差异和NMEP称为泵平均有效压力(PMEP)。PMEP是议员与工作有关的空气流动在吸、排气的空气通过进气和排气阀。gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba显示的变化与MES PMEP水平不同的负载条件下。发现增加MES水平降低了PMEP在低负荷和增加PMEP介质和更高的负载条件。这是因为甲烷参与燃烧取决于燃烧温度。随着负载的增加燃烧温度增加和空气燃料比倾向于实现化学计量的空气燃料比。导致更积极参与燃烧的甲烷。gydF4y2Ba

MES是观察制动热效率的影响(耳背式)GMEP的相似。gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba显示百分比变化在耳背式w·r。tconventional diesel fuel at different MES and load conditions. It was observed that as MES level increases, percentage increase in BTE also increases at each load condition. Maximum percentage reduction in BTE is 8, 14% and 16% at 25, 50% and 75% MES level in comparison to conventional diesel fuel.

3.2甲烷增加对发动机排放的影响gydF4y2Ba

百分比变化在不同排放w.r。tconventional diesel fuel at different MES and load level is presented in图6gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba8gydF4y2Ba。由于甲烷不完全燃烧在发动机汽缸这就是为什么它减少了燃烧温度,直接降低了没有见的形成gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba。这是观察到的gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba最大57%没有减少柴油相比MES 75%。增加的百分比MES给HC和CO的形成不利影响。这是观察到的gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,HC和CO排放最大增加1146%和481%,分别在75% MES水平相比纯柴油操作。这些含碳排放增加补充CH的由于低效的燃烧gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba。随着甲烷补充比率增加它取代空气进气歧管。最终结果在发动机汽缸的氧含量不足。导致不完全氧化碳mono-oxide和碳氢化合物。这就是为什么CO和HC排放MES见高75%gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba。然而,很明显gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba没有排放比例减少柴油相比是更高的甲烷。这也是因为缺乏氧气在发动机汽缸。随着缺氧限制完全氧化的机会。大多数化学反应没有发生,因为不受欢迎的热力学状态。因为大多数的放热化学反应不发生,最终导致较低的燃烧温度和氮在空气和燃料本身不激活形成。因为甲烷代替空气进气歧管。减少空气量也减少了可用的氮量在发动机汽缸形成没有发射(gydF4y2Ba特里帕西et al ., 2020 bgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

3.3频率脉动gydF4y2Ba

频率变化的负载和甲烷分享下面描述振动分析的发动机被使用加速度计安装在汽缸(gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba)。捕获的签名也描绘了空气阀开启和关闭的事件在发动机运行,测试引擎在−356°,−144°、144°、356°。MES的签名比较0%和75% MES的研究,观察不同的操作。MES的0%,广泛燃烧光谱峰值在两个不同的频率。然而,对于75%的市场经济地位,一个观察频谱燃烧较低频率。对于每个MES,燃烧光谱显示萎缩的频率范围。甲烷热特定能力和缓燃率高,清晰地解释了理由。此外,结果打开一个范围使用加速度计作为燃烧的非侵入性的技术研究。gydF4y2Ba

3.4响强度gydF4y2Ba

响强度(RI)是一个声学参数,这给我们的打击。基本上,RI(声能的通量)形成与pressure-oscillations (gydF4y2Ba玛丽亚et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2BaDernotte et al ., 2015gydF4y2Ba)。国际扶轮计算与情商的帮助。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在那里,gydF4y2Ba $\mathrm{\gamma gydF4y2Ba}$ 比热比,gydF4y2Ba $\mathrm{\beta gydF4y2Ba}\approx gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}/gydF4y2Ba\mathrm{4gydF4y2Ba}\mathrm{fgydF4y2Ba}$ f =振荡频率,R =气体常数,gydF4y2Ba ${\left(\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{PgydF4y2Ba}/gydF4y2Ba\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{tgydF4y2Ba}\right)}_{\mathrm{马克斯gydF4y2Ba}}$ 最大压力上升速率(MPRR),gydF4y2Ba ${\mathrm{PgydF4y2Ba}}_{\mathrm{马克斯gydF4y2Ba}}$ 和gydF4y2Ba ${\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{马克斯gydF4y2Ba}}$ 是最大的压力和温度。gydF4y2Ba

图10gydF4y2Ba显示了RI的变化与沼气能源份额和负载。轴表示引擎操作条件在不同的甲烷能量分享和负载。例如,L25M0表示,发动机运行条件对应于25%的负载是m . L和0%的甲烷能源份额轴代表正常振铃强度等于RI除以RIgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}。这里,正常振铃强度称为敲门指数。如果它的值大于一个然后导致操作敲门。比如,在gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba条件L75M25敲门指数几乎等于1。因此,L75M25条件对应于敲门。背后的理由敲L75M25突然燃烧。突然燃烧的发生是因为1)可用性预混合的混合物作为提高甲烷预混料2)更高的燃烧温度更高的负载。在我们最近的研究中,缸内压力也观察到同样的敲门等行为情节类似的相应条件L75M25 (gydF4y2Ba特里帕西et al ., 2020 agydF4y2Ba)。gydF4y2Ba图11gydF4y2Ba展示了各种发动机的燃烧噪声负载和MES。燃烧噪声计算将气缸压力角域数据转换为时域数据的快速傅里叶变换转换到频域。频域数据被转换为3倍频程谱和频率加权滤波器应用于强调人类听觉敏感(gydF4y2Ba唠叨et al ., 2022gydF4y2Ba)。燃烧噪声数据也提供了一个在L75M25飙升,这证实了敲门响描绘的索引值。gydF4y2Ba

观察到,敲门不发生在L75M50 L75M75。这是因为更换氧甲烷份额较高的这些条件导致相对较低的温度和敲门的机会减少了。一项研究报告了快降低缸内压力峰值随着MES的增加从25%到50% (gydF4y2Ba特里帕西et al ., 2020 agydF4y2Ba)。此外,更低的燃烧噪声是观察到这些操作条件,如所示gydF4y2Ba图11gydF4y2Ba。如果敲门索引值低于0.5还有失败的机会。比如,在gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba条件L25M75敲门指数小于0.5。因此,L25M75条件对应于失败。在L25M75失败背后的原因是甲烷的超过自燃极限。甲烷的可燃性上限已经被打破,因为局部的甲烷富燃料的可用性。这是因为1)较高的甲烷的存在量的M75条件和2)降低燃烧温度较低的负载(L25),不允许甲烷扩大和导致局部富甲烷燃料,而这是观察到,失败并不发生在M25公路和M50 L25。这是由于低数量的甲烷在这些条件和不超过甲烷的可燃性上限。gydF4y2Ba

4结论gydF4y2Ba

性能、振动和CI methane-diesel双燃料发动机的排放特征研究了本文实验。这项研究是在十二个不同试验条件的沼气能源股(0、25、50,75%)和发动机负载(25、50、和75%)。本研究的主要发现有:gydF4y2Ba

•发动机负荷影响甲烷燃烧过程的参与。平均有效压力,这是一个重要的发动机的性能参数,展品趋势逆转在低和高负载条件下的甲烷。在低负载、甲烷补充降低了平均有效压力,相反的是观察到更高的负载。这是由于在高负载条件下的温度会更高。gydF4y2Ba

•氮氧化物排放量降低甲烷补充,然而,观察CO和HC排放的增加。gydF4y2Ba

•沼气能源份额提高,燃烧噪声频谱显示窄的频率范围。甲烷的应用在柴油机也减少了振铃强度的振动水平。gydF4y2Ba

总的来说,这项研究强调了不同的发动机性能特征在对比负载条件。然而降低发动机振动与负载条件下的甲烷。因此,甲烷在高加载是有益的补充,对性能和振动,然而,低负荷性能的下降需要解决。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

所有作者导致稿件写作,修改,阅读,和批准提交的版本。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

作者谢天谢地识别(DST -塞尔维亚)的资金支持;印度德里见项目数量。ECR / 2015/000135,”协同使用氢和其他替代燃料的研究在双燃料发动机减排”在印度理工学院(IIT)大市场,喜马偕尔邦(惠普),印度。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba