双燃料CI发动机的进气预热对性能的影响

工程科学与技术，国际期刊21（2018）330完整文章进气预热对双燃料CI发动机M. 作者：J. J.Gopinatha Reddy，A.赛泰贾机械和建筑科学学院，VIT大学Chennai校区，Chennai，Tamilnadu 600127，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年7月13日收到2018年3月23日修订2018年4月1日接受2018年4月11日在线提供保留字：沼气双燃料高性能甲烷A B S T R A C T本研究探讨了预热进气的可行性，作为一种手段，以提高性能的压燃（CI）发动机上运行的沼气和柴油双燃料模式。沼气是主要燃料，在进气道与空气混合，预热后引入发动机。该混合物被压缩，随后通过气缸内的引燃柴油喷射点燃在两种转速和不同负荷下，研究了充气温度和沼气流量对制动器热效率、充气效率、柴油机燃油消耗率、柴油机当量制动比燃油消耗率、排气温度和总当量比的影响。观察到进料预热、低沼气流量和高速操作以提高制动器热效率。在低沼气流量条件下，甲烷富集对提高热效率是有效的.虽然进料预热和增加沼气流速降低了柴油燃料消耗，但容积效率降低。沼气置换空气可提高总当量比和废气温度。低速模式的特点是降低柴油燃料消耗和高容积效率。在低速运行下，沼气可以提供总能量释放的90%以上©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍化石燃料储量的迅速枯竭和环境问题促使各种研究人员在最近探索内燃机的替代燃料选择[1沼气因其成本低、生产方便而成为一种很有前途的内燃机代用燃料沼气的主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），其体积含量分别为55 - 70%和25 - 50%[4，5]。CO2的存在降低了可燃性和热值[6，7]。这可以部分地通过甲烷富集来克服，甲烷富集是用于去除CO2的沼气可以两种模式用于压燃式（CI）发动机，即。双燃料和均质充量压缩点火（HCCI）模式。在这两种情况下，沼气与进入的空气混合并被引入气缸。不同之处在于点燃这种可燃混合物的方法。在双燃料模式下，它是通过向气缸内喷射少量柴油来实现的，而在HCCI中，柴油-空气混合物是*通讯作者。电子邮件地址：saleelismail@vit.ac.in（新加坡）Ismail）。由Karabuk大学负责进行同行审查压缩直至发生自燃达到自燃温度通常需要使用歧管加热。在过去的几年里，各种研究人员已经研究了生物气在CI发动机中的应用[8在双燃料模式下使用沼气降低了制动热效率、容积效率，并增加了与传统CI发动机模式的制动比油耗（BSFC）这归因于CO2的存在，其导致低燃烧温度、低火焰速度、峰值压力的早期出现和较高的泵送功[11，15然而，通过采用双燃料模式可以显著降低柴油燃料消耗。据报道，在以沼气作为主要燃料的双燃料模式下运行的IDI发动机中，柴油燃料消耗节省了48%以上[11]。在满负荷运行时，仅柴油模式和柴油机-柴油模式的燃料转化效率几乎相同，而柴油机-柴油模式的部分负荷效率较低[18]。制动器热效率的下降可以通过使用富含甲烷的沼气、高压缩比或双燃料模式下的高负荷来部分克服[17，19]。已经观察到，含有比例接近7：3的CH4和CO2的沼气提供高的制动热效率。这可能是由于CO2分解为CO和O2，提供了一种快速燃烧的混合物，从而改善了燃烧[20，21]。增加进气中的氧含量，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.04.0012215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchM. Feroskhan等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）33033121%至27%已被证明可将制动器热效率从15%提高至18%[22]。Sahoo等人[21]还观察到具有较低CO2分数（0.2至0.3）的生物气提供较低的BSFC。Musteland等人[18]已经报道了双燃料模式的制动比能耗（BSEC）与常规CI发动机操作的制动比能耗相当观察到制动器热效率和容积效率在较高的沼气流速下下降[23，24]。容积效率的下降是由沼气取代进气口中的新鲜空气引起的[25]。Barik和Sivalingam也报告了类似的趋势[23，26]。在一项对沼气-柴油双燃料发动机（具有手动控制的沼气流速和调速器控制的引燃燃料喷射）进行的研究中，报告了在满负荷时高达30%的柴油燃料替代（基于能量）[23]。路易滕和克尔霍夫[25]已经报道了使用甲烷分数为0.7的沼气替代高达35%的柴油。甲烷富集已被证明可以增强柴油燃料替代[13]。考虑到上述优点，在本工作中，在双燃料模式中使用富含甲烷的生物气（按体积计75%CH4和25%CO2生物气组分的计算性质列于表1中。由于在沼气-柴油双燃料发动机中使用预充气的相关文献较少，本研究主要研究进气温度、沼气流量和沼气中甲烷含量对发动机各项性能参数的影响。2. 实验装置实验装置的示意图和照片见图1。传统的四冲程水冷CI发动机被修改为在双燃料模式下操作。发动机调速器允许将工作转速设置为1500和2200 rpm之间的恒定值。发动机试验台的规格见表2。沼气是通过混合甲烷和二氧化碳（称为模拟沼气）来复制的，甲烷和二氧化碳储存在两个单独的气瓶中。CH4和CO2通过流量控制阀和专门校准的玻璃管转子流量计提供。这有助于调节CH4：CO2比率以及流速。本研究使用了含75%CH4和25%CO2的沼气。将混合物进料到进入的空气流中。一个2.4千瓦的镍铬合金电阻加热器缠绕在进气歧管周围，并在外部绝缘，以将空气-沼气混合物加热到高达120 °C的温度。 该试验装置配备有绳索制动式机械测力计、带秒表装置的滴定管、热电偶和孔板流量计，以分别测量发动机制动扭矩、模具流量、废气温度和空气流量。仪器的准确度和输出参数的不确定度分析[27]分别见表3和表4。表1沼气成分的特性。3. 结果和讨论3.1. 性能特性通过分别在0至16 L/min和35至100°C的范围内改变沼气流量（Qbg）和进气温度（Tin）最初，在1900 rpm的运行速度（n）（称为高速模式）下进行性能测试，以获得全范围的应用扭矩，并使用柴油机供油。表5列出了高速模式的运行参数，包括100种情况（5个扭矩值在这些情况下，甲烷分数保持在75%随后，对于最小柴油喷射，将调速器设置改变为n = 1550 rpm（称为低速模式），并在5.5 Nm的恒定扭矩（T）下进行测试采用甲烷-柴油和沼气-柴油两种燃料对甲烷富集效果进行了研究当甲烷流速（QCH 4）在6至12 L/ min的范围内变化时，二氧化碳流速（QCO 2）在0至4 L/min的范围内变化，提供100%和75%的甲烷分数。低速模式的操作参数总结在表6中，包括18种情况（100%和75%甲烷部分各3种沼气流速，3种进气温度）。操作参数对各种性能指标的影响讨论如下。3.1.1. 当量比图2（a）示出了在11 Nm的恒定施加扭矩下在高速模式下生物气流速和进料预热对总当量比的影响。在沼气诱导过程中置换新鲜空气导致总当量比增加。 图图2（b）示出了扭矩的增加导致当量比的上升。这是由于柴油喷射量增加所致由于进料预热降低了沼气和空气的密度，因此对当量比的净影响不显著。图2（c）比较了在低速模式下甲烷-柴油模式和甲烷-柴油模式的总当量比。由于沼气比甲烷置换更多的空气，当量比更高。对于较低的流速（6 + 0和6 + 2 L/ min），该效果更明显。3.1.2. 容积效率图图3（a）描绘了在具有11 Nm的恒定扭矩的高速模式下容积效率、沼气流量和进气温度之间的关系。结果表明，由于新鲜空气的置换，增加沼气流量会导致容积效率降低。在少数文献中也有相同的趋势[13，26]。随着温度的升高，容积效率显著下降。这是由于空气密度降低导致进气量降低。当温度从35 ° C升高到100 °C时，观察到容积效率降低高达6%。 图图3（b）揭示了发动机扭矩对容积效率的影响相对较小。充气效率随进气温度的变化规律用于甲烷-柴油和甲烷-柴油低速运行属性值甲烷（CH4）二氧化碳（CO2）模式如图3（c）所示。虽然再次发现进料预热导致容积效率下降，但与甲烷相比，生物气中的效果相对较低一般来说，低成分（体积%）75 25低热值（MJ/kg）5060°C 0.67 1.8380°C 0.63 1.72100°C 0.59 1.63与高速模式相比，高速模式提供了略高的容积效率，这很可能是由于更好的充气填充和更低的操作温度。3.1.3. 柴油消耗化学计量17.24图4（a）示出了在11 Nm332M. Feroskhan等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）330Fig. 1. 实验装置。表2引擎规格。表3测量设备的详细信息。参数值发动机Kirloskar AV1XL型号测量数量测量装置最少计数孔径0.0875m行程0.080m容积481 ccCH4 Rotterdam的流速（针对甲烷校准）0. 5 L/min CO2 Rotterdam的流速（针对CO2校准）0. 5 L/min扭矩机械测力计0.1 kg峰值压力73.6 bar气缸数量排列1-垂直空气流量孔板流量计和差压水压力计1毫米工作循环四冲程柴油机燃烧原理压缩点火压缩比17：1最大功率5.97 kW最大扭矩25 Nm额定转速2200 rpm喷射系统直接喷射喷嘴孔数量喷油器开启压力（bar）210喷油正时28°bTDC柴油流速滴定管0.2 ml温度热电偶0.1°C转速数字转速计10 rpm在高速模式下。随着沼气流量的增加，它对输入燃料能量的贡献更多，使得调速器机构减少柴油供应。然而，在低进气温度下，一定量的沼气不完全地保留M. Feroskhan等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）330333表4错误分析。输出参数误差%（±）制动热效率百分之四容积效率百分之三柴油消耗百分之一总当量比百分之三制动燃料比耗百分之四表5高速模式（n = 1900 rpm）下发动机运行参数的详细信息扭矩，T（Nm）沼气和组分流量，Qbg（QCH 4+QCO2）（l/min）进气温度，Tin（°C）00（0 + 0）355.54（3 + 1）60118（6 + 2）8016.512（9 + 3）1002216（12 + 4）–表6低速模式（n = 1550 rpm）下发动机运行参数的详细信息。甲烷馏分沼气和组分流速，进气温度，（体积%）Qbg（QCH4 +QCO2）（l/min）Tin（°C）1006（6 + 0）八十九十一百9（9 + 0）12（12 + 0）758（6 + 2）12（9 + 3）16（12 + 4）烧了进料预热使空气-沼气混合物更易燃烧，从而略微降低柴油燃料消耗。在纯柴油操作中，进气预热是有害的，因为要喷射更多的柴油来补偿进气量的减少。正如预期的那样，柴油燃料消耗量随着发动机扭矩的增加而增加，如图所示。 4（b）.图4（c）示出了在低速模式下进气温度对甲烷-柴油和甲烷-柴油操作的柴油燃料消耗的影响。由于CO2对甲烷燃烧的负面影响，甲烷-柴油混合燃料在低气体流量（6 + 0和6 + 2L/min）下的燃料消耗量要高于对于更高的流速，CO2的影响是微不足道的，因为升高的温度支持甲烷燃烧。当以12 + 0和12 + 4 L/min运行时，沼气占总能量释放的90%以上。3.1.4. 制动燃料比耗BSFC基于总当量柴油燃料消耗计算，即在双燃料模式下具有生物气和柴油的组合能量含量的柴油量。图5（a）示出了在1900 rpm下施加11 Nm的负载时BSFC随生物气流速和进气温度的变化。在低沼气流量和高进气温度下，单位功输出的燃料消耗最小。进料预热可使BSFC提高10 - 20%。高沼气流量导致增加在BSFC中，证实了早期的发现[15，26]。图5（b）示出了在高速模式下，在8L/min的恒定沼气流速下，BSFC随扭矩和进气温度的变化。能量转换效率和因此BSFC随着扭矩的增加而提高。研究了在恒转矩下炉料预热对高炉煤气流量的影响。5.5Nm的低速模式下描绘图。 5（c）. 低沼气图二、（a）沼气流速、（b）扭矩和（c）进气温度对总当量比的影响具有甲烷富集的流速显示更好的BSFC。在高沼气流量下，沼气组成对BSFC的影响可以忽略不计。3.1.5. 制动热效率图6（a）示出了制动器热效率随进气温度和沼气流量在施加负载下的变化在高速模式下为11 Nm。可以观察到，在所有进气温度下，在沼气流量为4 L/min时获得最高的制动热效率，这再次证实了早期在未预热发动机中的发现[17，26]。这可归因于所供应的沼气与可用的过量空气混合并经历燃烧的事实。这提供了过量空气的最佳利用，否则过量空气由于流动损失而仅具有有害影响。更高的沼气流量伴随着空气的位移，影响混合物的形成和334M. Feroskhan等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）330图三.（a）沼气流速、（b）扭矩和（c）进气温度对容积效率的影响。图四、（a）沼气流速、（b）扭矩和（c）进气温度对柴油燃料消耗的影响完全燃烧。这反映在较高沼气流速下热效率的下降。在仅柴油运行的情况下（0 L/min沼气流速），进气预热会导致空气密度和流速降低，导致形成相对较浓的混合物，从而降低制动器热效率。然而，在汽油-柴油双燃料模式下，发现制动热效率随着充量预热而显著增加。这可能是因为沼气燃烧可以在升高的温度下进行到更大程度的完成。图6（b）描绘了在高速模式下，在8L/min的恒定沼气流量下，制动器热效率随扭矩和进气温度的变化。可以看出，由于装料预热而引起的热效率的提高在较高负荷下更为显著。在低速模式下，恒定扭矩为5.5 Nm时，进气预热对热效率的影响图 6（c）. 甲烷-柴油和甲烷-柴油两种模式都被考虑。在这里使用不同的气体燃料流速为了清楚起见，在图例中分别显示了CH4和CO2的流速例如，条目6 + 2表示6 L/min CH4和2 L/min CO2的混合物。虽然低速时的制动器热效率低于高速时的制动器热效率，主要是由于较高的冷却剂损失，但再次观察到充量预热以提高热效率。此外，6 + 0 L/min（甲烷-柴油）和6 + 2 L/min（甲烷-柴油）情况的比较表明，甲烷富集提高了热然而，甲烷富集在较高流速（例如12 + 0和12 + 4 L/min）下没有显示出显著影响。3.1.6. 排气温度图7（a）描绘了在具有11 Nm的恒定扭矩的高速模式下在不同进气温度下排气温度与生物气流速之间的关系。结果表明废气温度随着沼气流速的增加而升高。M. Feroskhan等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）330335图五、（a）沼气流速、（b）扭矩和（c）进气温度对柴油当量BSFC的影响图六、（a）沼气流量、（b）扭矩和（c）进气温度对制动器热效率的影响双燃料模式的特点是空气的位移。过量空气的减少导致更接近化学计量的混合物。此外，甲烷的热值超过柴油。这导致在燃烧期间更大的能量释放，并因此导致更高的排气温度。正如所预期的那样，进气温度的升高导致排气温度的相应升高。较高负荷下柴油机燃料消耗量的增加是导致废气温度升高的原因（见图1）。 7（b））。图7（c）显示了在低速模式下甲烷-柴油和甲烷-柴油模式下进气预热对废气温度的影响与甲烷相比，沼气的废气温度较低，因为二氧化碳吸收了部分释放的能量。该模式下的温度低于高速模式下的温度。4. 结论研究表明，合理选择进气温度、沼气流量和组成等进气参数，可以有效地控制双燃料发动机的各项性能指标。在进气口预热空气-空气混合物可以提高制动器热效率高达5%，在满载。然而，预热会使容积效率降低6%，并使排气温度升高近100 °C。因此，与合适的废热回收系统结合，进料预热是一个可行的选择.如果提高热效率是主要目标，则建议低沼气流速（例如4 L/ min），特别是甲烷富集。另一方面，高沼气流量确保了显著的柴油燃料节省，但牺牲了热效率和容积效率。同样，高336M. Feroskhan等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）330见图7。（a）沼气流速、（b）扭矩和（c）进气温度对排气温度的影响。高速运行确保更高的热效率，而低速运行提供高达90%的柴油替代致谢作者要感谢VIT Chennai通过大学研究种子基金支持这项工作。我们也感谢VIT Chennai的学生RamKishore，Ashok Vardhan，DipeshPatwari，Siddarth Pramod和Souri Nath Bhose在进行实验研究时提供的帮助。引用[1] A. Elfasakhany，火花点火发动机中乙醇-甲醇-汽油混合物影响的研究Sci. J. 18 （ 2015 ） 713 https://doi.org/10.1016/-719 ， www.example.comj.jestch.2015.05.003。[2] A. Elfasakhany，使用乙醇-甲醇-汽油、正丁醇-异丁醇-汽油和异丁醇-乙醇-汽油混合物的火 花 点 火 发 动 机 的 性 能 和 排 放 ： 比 较 研 究 ， Eng. Sci.J. 19 （ 2016 ）2053https://doi.org/10.1016/j.jestch.2016.09.009[3] H.Sivasubramanian ， Y.K.Pochareddy ， G.Dhamodaran ， G.S.Esakkimuthu，性能，排放和燃烧特性的支化更高质量，C3醇（异丙醇）混合燃料 的 中 型 MPFI SI 发 动 机 ， 工 程 科 学 。 Technol. an Int. J. 20 （ 2017 ） 528https://doi.org/10.1016/-535，www.example.com j.jestch.2016.11.013.[4] 科米尼诺斯角Rakopoulos，建模生物燃料的HCCI燃烧：综述，Renew。坚持住。Energy Rev. 16（2012）1588https://doi.org/[5] M. Mohamed Ibrahim ， J. Varuna Narasimhan ， A. Ramesh ， Comparison of thepredominantly premixed charge compression ignition and the dual fuel mode ofoperationwithbiogasanddieselasfuel，Energy89（2015）990https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.06.033[6] O. Razbani，N.Mirzamohammad，M.Assadi，Literature review and road mapforusing biogas in internal combustion engines ， Third Int. Conf. Appl.Energy （ 2011 ） 1715-1724. http://www.cense.no/getfile.php/CenSE/Appliedenergypaper 01.pdf。[7] K. Abdul Rahman，A.Ramesh，降低甲烷浓度对沼气柴油主要预混充量压燃发动机的燃烧和性能的影响https://doi.org/[8] R.J. Crookes ， Comparative bio-fuel performance in internal combustionengines ， Biomass Bioenergy 30 （ 2006 ） 461 https://doi.org/10.1016/j 。biombioe.2005.11.022网站。[9] S.H. Yoon，C.S.李，柴油机燃用生物柴油和柴油双燃料的燃烧和排放特性试验研究92（2011）992https://doi.org/10.1016/[10] R.钱德拉，V.K. Vijay，P.M.V. Subbarao，T.K. Khura，Performance evaluationof a constant speed IC engine on CNG，methane enriched biogas and biogas，Appl. Energy 88（2011）3969 https://doi.org/10.1016/j. apenergy.2011.04.032网站。[11] P.M. Duc，K.王文，生物质预混柴油双燃料发动机的研究，能量转换。管理。48（2007）2286-2308，https：//doi. org/10.1016/j.enconman.2007.03.020。[12] M. Mohamed Ibrahim，A. Ramesh，Investigations on the effects of intaketemperature and charge dilution in a hydrogen fueled HCCI engine，Int. J.HydrogenEnergy39（2014）14097https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.07.019网站。[13] M. Feroskhan，S. Ismail，使用田口方法评估进气参数对双燃料发动机性能的影响https://doi.org/10.1080/17597269.2017.1370885[14] M. Feroskhan，S. Ismail，关于压缩点火发动机中沼气的净化和使用的综述，国际汽车杂志。机械工程14（2017）4383-4400。https://doi.org/10.15282/ijame.14.3.2017.1.0348。[15] B.K. Debnath ， B.J. Bora ， N. Sahoo ， 英 国 Saha ， Influence of emulsified palmbiodiesel as pilot fuel in a biogas run dual fuel diesel engine，J. Energy Eng. 140（2014）A4014005，https：//doi.org/10.1061/（ASCE）EY.1943-7897.0000163.[16] S.H. 帕克，S.H.Yoon，J. Cha，C.S. Lee，生物气和二甲醚（DME）的混合效应对DME燃料高速柴油发动机的燃烧和排放特性的影响，Energy 66（2014）413https://doi.org/10.1016/j。energy.2014.02.007网站。[17] M. Feroskhan，S.Ismail，生物气组成对生物气-柴油双燃料CI发动机性能的影响的研究https://doi.org/10.1080/17597269.2016.1168025[18] N.N. Mustafa，R.R. Raine，S. Verhelst，在替代气体燃料上操作的双燃料发动机的燃烧和排放特性，燃料109（2013）669https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.03.007[19] B.J. Bora，英国Saha，S. Chatterjee，V. Veer，压缩比对以生沼气为燃料的双燃料柴油 发动 机的性 能、 燃烧 和排 放特性 的影 响， 能量转 换。 管理 。87（ 2014 ）1000https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.07.080[20] M.S. Lounici，K. Loubar，M.塔泽鲁特，M。巴利斯特鲁湖张文，生物质气-柴油双燃料燃烧发动机性能与排放的试验研究，中国汽车工程学会。爸爸2014年-2014年b。doi：10.4271/2014-01-2689。[21] B.B. Sahoo，N. Sahoo，英国Saha，发动机参数和气体燃料类型对双燃料气体柴油 机 性 能 的 影 响 - 评 论 ， 更 新 。 坚 持 住 。 Energy Rev. 13 （ 2009 ）1151https://doi.org/[22] K. Cacua，A. Amell，F. Cadavid，富氧空气对柴油-沼气双燃料发动机的操作和性能的影响，BiomassBioenergy45（2012）159https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2012.06.003[23] D. 巴里克湾Sivalingam，沼气燃料DI柴油发动机的性能和排放特性，No. 2013-01-2507，SAE技术论文（2013），https://doi.org/10.4271/2013-01-2507。[24] M. 作者：Phillips，V.Ajay Kumar，S.K Aftab Kumar，沼气流量和氧化铈添加对双燃料CI发动机性能的影响的研究https://doi.org/10.1080/M. Feroskhan等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）330337[25] C.C.M. Luijten，E. Kerkhof，麻疯树油和沼气在双燃料CI发动机的农村电气化，能源转换。管理。52（2011）1426doi.org/10.1016/j.enconman.2010.10.005[26] D. Barik，S. Murugan，直喷式柴油机燃用直喷式柴油的在双燃料模式中，Energy 72（2014）760 https://doi.org/10.1016/j。energy.2014.05.106网站。[27] R.J. 莫法特，描述实验结果的不确定性，实验。温度流体科学1（1988）3-17