预燃室火花塞在天然气发动机和氢发动机中的应用及发展

作者： ycreset27741703
2021-01-14 10:13
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火力发电在国民经济发展过程中起着重要作用，但由其产生的CO₂排放量约占全球CO₂总排放量的40%。能源低碳经济领域中的1项重要课题是充分利用可再生能源，但是以风能和太阳能为代表的可再生能源仍存在一定的不稳定性。可通过多种方式对能量进行储存，其中1类方法就是通过电解水的方式制氢，并将制取的氢能进行有效储存。由于未来对电能的要求将与日俱增，除了通过相关设备将风能和太阳能转换成电能之外，可使内燃机燃用氢燃料以有效降低排放，并相应减少对电能的需求。这种能源系统提供了1种经济的解决方案，同时不会使电网产生较大的波动。

0 前言

位于德国巴伐利亚的哈斯富尔特(Hassfurt)的1家煤气发电厂实现了大规模制氢，研究人员利用附近风力发电场经转换而成的剩余电力来实现电解水，并制取氢能源。该方案可通过质子交换膜(PEM)而实现，并具有诸多优势，能有效提升氢燃料的产量和制氢效率，以此满足用电时的高峰负荷。电解水过程所制取的氢可用于火力发电厂。该能源供应模式由2G EnergyAG公司开发，并可提供高达200 kW的发电功率。全新的氢发动机基于Agenitor406机型而开发。该机型为1台直列6缸发动机，缸径为130 mm，并采用了全新的氢喷射系统，以确保发动机能在最高效率下安全可靠地运行。

即使将发动机切换成以氢燃料运行，仍然会产生排放。与燃用天然气的排放情况相比，由于氢燃料燃烧时的火焰传播速度较快，在过量空气系数λ≤2.0时会产生较多的氮氧化物(NO_x )，而氢发动机在λ≥2.5的情况下运行，可有效降低发动机排放。其主要挑战在于空气增压系统需要使氢燃料在λ数值尽可能大的条件下运行，但同时又不对天然气的燃烧运行过程产生不利影响。

除了增压机组之外，对预燃室火花塞进行优化也是1项关键技术。预燃室火花塞与常规火花塞相似，所不同的是其电极布设于预燃室中，并可通过预燃室末端的喷孔与主燃烧室相通。在压缩行程期间，预燃室中逐渐充满浓混合气(图1(a))。燃烧过程始于预燃室(图1(b))，产生的火焰随后从预燃室中传出(图1(c))，并进入主燃烧室(图1(d))。预燃室的设计对于燃烧品质起着决定性的作用，因此研究人员必须对每款发动机的燃烧室特性进行优化。

图1 预燃室火花塞的工作原理

研究人员可通过对燃烧室的造型调整来控制电极间隙附近的可燃混合气浓度及其运动特性，从而确保发动机在不同循环中的点火时刻始终相同。与常规的火花塞相比，预燃室火花塞产生的多个火焰束可使主燃烧室内同时实现多点引燃，以此降低燃烧过程的循环波动，并且通过火焰束有效缩短了燃烧持续时间，具有更高效率。

1 寻求折中

为某款特定用途的发动机开发预燃室火花塞，需要实现不同参数间的平衡。研究人员必须通过对预燃室喷孔进行优化设计，从而确保电极间隙附近的混合气处于最佳混合比条件下，并具有最佳的动态特性。同时，火焰束必须以正确的方向喷入主燃烧室，从而使燃烧速度最大化。预燃室火花塞应有一部分伸入燃烧室内，以此提高燃烧速率，但不引起早燃现象。预燃室火花塞的容积必须足够大，以便能产生强烈的火焰束，但是容积也不能过大，以免使得混合气被原有的残余废气所稀释。目前有许多模拟工具能用于优化上述目标冲突，这些模拟工具可在物理层面上提供具有决定意义的技术支持。研究人员通常会在基于物理的数值流动模拟过程中，如计算流体力学(CFD)上花费较多时间，以便开发出最佳的燃烧方案。研究人员将具有专利权的计算算法(如热传导、网络计算策略、边界条件和假设等)与物理模型(如化学反应动力学机理和火花点火模型等)相组合，即可实现较为理想的优化过程，从而获得全新的解决方案。以该款新开发的预燃室火花塞为例，可在Agenitor系列机型中分别燃用氢和天然气。

在燃用氢燃料的前提下，研究人员设计预燃室火花塞的重要理念之一是使其具有较好的热性能。氢燃料的自燃性明显优于天然气，因此必须充分降低预燃室的表面温度，但同时也不可使其过低，以免在燃用天然气时导致火焰熄灭。研究人员对预燃室及其材料和气缸盖冷却系统进行优化设计，以确保发动机在燃用每一种燃料时，在整个工况范围内都能达到最佳的预燃室表面温度。

2 Prometheus预燃室火花塞

目前不少研究人员认为，由于氢燃料易于自燃，因此在燃用氢燃料时，发动机无需使用预燃室火花塞，因为该部件会降低氢燃料燃烧的安全性(图2)。但实际情况恰恰相反，为实现零排放目标，氢混合气较为稀薄，混合气λ>2.5。在该条件下，氢燃料的自燃性会显著降低，因而其燃烧速度也会相应降低(图3)。研究人员通过采用经优化设计的预燃室火花塞，改善了该类稀薄混合气的燃烧速度。与此相反，存在缺陷的预燃室火花塞在燃用氢燃料时会导致一系列技术弊端，从而降低了预燃室火花塞用于氢发动机的适用性。

图2 用于天然气的预燃室火花塞在用100%氢燃料运行时出现早燃现象

图3 各种不同氢/甲烷混合气最低所需的点火能量与过量空气系数关系的比较

目前，对应用预燃室火花塞的挑战在于所开发的预燃室火花塞必须能有效平衡发动机在燃用天然气和氢燃料时的所有目标冲突。设计这种火花塞的核心技术是预燃室的主动扫气过程。研究人员借助于1个可侧面贯穿预燃室的较长直孔，即可将新鲜混合气导入至电极间隙附近，在形成火焰束之前就使其在预燃室中进行充分燃烧。同时，研究人员采用了CFD模拟软件来优化预燃室参数(预燃室几何学、容积、喷孔方向和其他参数)，以达到所期望的λ数值和流动速度。特别是使预燃室内的混合气浓度比主燃烧室内更稀，以便减小氢燃料自燃的倾向。缸内混合气必须有着较高的流动速度，以便使可燃混合气在燃烧时具有足够的冷却效果，同时防止天然气在250 mg/Nm³ 的浓度运行时导致的火焰熄灭。最佳的预燃室设计可通过预燃室内的完全燃烧而产生强烈的火焰束，从而确保主燃烧室内的火焰传播过程更为迅速和均匀(图4)。

图4 Prometheus预燃室火花塞设计阶段的CFD模拟计算结果汇总

通过实际运行过程可对全新的设计方案进行有效验证。研究人员将新型火花塞与常规火花塞进行比较，以此检验Prometheus预燃室火花塞的工作性能。研究表明，Prometheus预燃室火花塞在排放量为50 mg/Nm³或更低的运行工况点时，其效果相比常规火花塞提高了1.0% (图5)。特别是在混合气较为稀薄，NO_x排放量低于25 mg/Nm³的情况下，平均指示压力(IMEP)的变动小于1.5%，而此时常规火花塞在NO_x排放量为50 mg/Nm³的情况下，IMEP 的变动可达3.0%。由于燃烧稳定性得以显著提高，通过预燃室火花塞即可有效实现整机零排放目标。

图5 在使用100%氢燃料运行时，常规火花塞与Prometheus预燃室火花塞效率与废气排放关系的比较

由于发动机配备了气缸压力测量装置，因此研究人员更易于识别缸内的燃烧状况。图6示出了所有6个气缸使用标准火花塞和Prometheus预燃室火花塞时的燃烧压力数据。正如预计，后者的燃烧压力波动有所降低。据此就能证实发动机在燃用氢燃料时仍具有较高的工作能力。目前，研究人员已通过天然气进行过相似的试验过程，并与原始设备制造商(OEM)生产的预燃室火花塞进行了比较。在采用了Prometheus预燃室火花塞后，缸内展现出较为稳定和迅速的燃烧过程，特别是在排放量为500 mg/Nm³的情况下运行时，整机效率提高了0.3%。在排放量为250 mg/Nm³的情况下运行时，整机效率提高了0.4%，而且在排放量为200 mg/Nm³的情况下运行时，离爆燃极限的裕量进一步增大，使用天然气运行时的稀薄极限与此相似。研究人员在证实了Prometheus预燃室火花塞具有预期的工作能力之后，后续仍需要对其进行耐久性试验。