气体燃料的辛烷值单缸火花点火发动机外文翻译资料

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气体燃料的辛烷值单缸火花点火发动机

c . Rahmouni g . Brecqb m . Tazerout o . Le Corre
291英亩,291大道 Dreyfous Ducas利迈河,法国
能源和环境系统部门,卡斯特勒街,20722年英国石油公司,44307年南特

2003年2月25日收到;2003年7月7日修订,2003年7月7日接收,2003年8月6日发布

摘要：介绍了单缸发动机气体燃料的辛烷值测定。第一部分的工作处理的应用程序气体燃料的辛烷值的标准方法。服务甲烷(SMN)数量与标准比较甲烷(MN)的比较通过标准AVL软件数量甲烷(对应于MN测量合作燃料研究引擎)。然后,在第二部分中,我们的发动机“机械”抵抗振动是强调通过甲烷数量要求(MNR)。一个单缸李斯特彼特引擎被修改作为火花点火发动机与一个固定的运行压缩比和一个可调节点火提前。引擎设置对MNR从实验数据推导和比较与以往的广泛研究。使用上面的方法,然后可能适应发动机最佳爆震控制和设置表演。在SMN MNR的错误在下plusmn; 2 MN单位/气体之下和考虑周到的引擎设置。

注： 2004爱思唯尔有限公司保留所有权利。
关键词:气体燃料的辛烷值; 服务甲烷数量; 甲烷数量要求

一．简介

天然气的组成取决于原料位置[1]。例如,在欧洲天然气供应中，甲烷浓度范围从约98%至80%[2]。当天然气用于运行内部燃烧发动机,这些变化可以引起爆震发生和导致增加排放和减少引擎效率。敲缸是由于传播火焰前的废气的自燃,当这种自燃发生在气缸中，乏气中包含的化学能量迅速释放,超过一定的燃烧率,它会导致冲击波在传播燃烧室传播,然后被迫产生与其共振的自然频率。这可能导致高频冲击波撞击汽缸壁,造成不可逆的破坏。

指标通常用于描述甲烷含量的变化(MN)。它是用于液体燃料相似的辛烷值(ON),MN是以气体燃料的爆振趋势为特征测量多燃料研究引擎(CFR发动机)[3 - 5]。甲烷,引爆碳氢化合物,具有传统100 MN。相反的,氢,这是最容易爆炸的气体[6],有传统的0 MN。然而有可能得到一个超过100 MN 的气体，主要由甲烷和惰性氮化物和二氧化碳(例如沼气)[3]。Shrestha和卡里姆[7]和Brecq 等等已经调查了惰性气体对气体的辛烷值的影响。
热电联产(CHP)发动机主要用在爆震限制最佳运行效率和环境保护为了缩短回报期[9],由于环境和经济问题,发动机压缩比很高。因此,通常是非常接近最优的操作条件。
人类耳朵很长一段时间里是检测爆震的唯一方法。这种方法现在仍然作为一个参考被Kalghatgi[10]在1996年使用。辛烷值被确定用于这个特定的“爆震检测”[11],但是由于主体性(人耳是无法测量爆震强度),有必要定义一个敲指标能够描述其强度,确定其阈值在一个可靠的和可再生的方式。

表0各种术语的全称

存在于工业和研究中的几个爆震检测方法[2]:
1.墙损失。当发生爆震时,墙损失显然更重要。Syrimis和Assanis(13、14)是主要作者，他们的的工作主要处理传热之间的联系和敲缸声。Trapy还提供了很多这个领域的结果[15]。
2.离子电流。随着传播火焰(离子)传播到火花塞附近，改变了导电性和此时的电流强度.离子电流强度和汽缸压力值之间具有相关性(16、17)。因此,包含高频信号的离子电流可以用来检测爆震[21]。然而由于高噪声水平，这种方法是不可靠的。
3.发动机振动。通过固定在发动机汽缸的外表面的一个加速度计,高噪音水平是这种技术的主要缺点(12、22),尤其是在高速运行的发动机。
4.汽缸压力。那是在以前的工作中发现的一种老技术[23],它是基于与冲击波直接相关联的汽缸压力的事实.因为这种技术是基于敲缸的真正本质,它是比使用发动机振动更可靠的。许多作者建议(12、24、25)使用这种方法。然而,这些传感器非常昂贵,不适合工业用途。它主要仍然是一个研究工具。

在这里边二分之一的技术并不常用。第一个仍然是一个原则,第二个虽然有效和有趣,但仍然被认为是一个新兴的技术，最后两个技术也经常被使用:加速度计技术由于具有成本效益的传感器主要应用于工业发动机。由于结果的质量和压力探针的高成本，汽缸压力测量主要是用于研究领域。在Ref中提出了每个技术的优缺点。[26]。
那些可以用来量化敲缸声强度(即爆震强度)的大部分指标是基于汽缸压力测量:
1.直接从汽缸压力评价(例如峰值压力分析)(3 ，27-29);
2.过滤压力分析(MAPO,IMPO,hellip;hellip;)(4 - 6，12，29-34，38-45，54);

3.导出压力分析[29,35-37]

有许多现有的方法来确定在火花点火发动机中的爆震极限。这意味着会出现三个不同的结果:探针的选择,爆振指标的选择和分析方法的选择。因此,把极限的定义是相对的，因为它取决于这三个概念的选择。就有不同的许多“指标法”，根据许多作者在SI发动机中定义爆震限制，这些不同的指标的合成与相应的方法在表1中给出。
IMPO和MAPO,有两个敲缸指标,它基于气缸压力数据 的高频分析,常用在文献中。第一个是压力振荡模量的积分(IMPO),代表包含汽缸压力信号(包括噪声)的高频振荡的能量。第二个是最大压力振荡振幅(MAPO),它与由于敲缸引起的压力振荡的峰值相关。
从连续N周期循环中获得IMPO和MAPO，它们的关系如下：

N代表计算周期的数量,是对应的开始计算的窗口的曲柄角度,W是计算窗口的价值和是缸内压力的过滤。
敲缸周期的百分比(PKC)。一般的方法是基于统计分析在燃烧过程中缸内最大压力(PP)和峰值压力角(APP)，这种方法记载在Ref这本书里[26]。Brecq et al(26,55)的研究显示,在大量的周期(约400周期),两个分离的周期可以区分:没有爆振循环周期的A组和有爆振周期循环B组(图1)。这篇文分析,第一个在Ref这本书里提出了这个分析大纲[26],关于与点火提前PKC的演变表明,固定在50%的阈值的敲缸周期给出了接近给出的标准爆振指数的爆震极限(图2和3)。该指标被用于实验,因为它的多功能性及其精度。
气体燃料的辛烷值指标。能改变气体成分设置的发动机的改装是必要的,以确保一个安全的运行
发动机。Schiffgens et al[46]已经使用一个传感器来适应发动机，通过MN的措施来改变成分。
在SI发动机，MN是与爆振直接相关。许多作者(3、4 - 6、28,33,47-50)一方面观察到爆振极限的发动机参数和发动机设置之间的联系,爆振极限的发动机参数和辛烷值指标之间(MN,ON)的联系。其中,通过ON变化，拉斯[28]成功设法找到了爆震发动机极限的参数之间的关系。Douaud[51]也注重许多爆振极限的参数和ON 之间的依赖关系。Leiker等[3]已经把爆振极限的参数和一个 10 MN单位的变体联系了起来。 10 MN单位对不同的爆振极限的参数变化的影响已经完成(表2),由于许多人已经使用ON而不是MN,这两个指标之间的转换被应用,这样可以相互比较。通过添加四乙基铅到标准异辛烷,可以估计气体燃料的ON值上升到120.3单位[52]。Kubesh等为了测量气态燃料的ON值已经使用了这种方法[52]。他们为纯甲烷也得到了一个约140的ON值。此外,Daverat[53]和Dimpelfeld和Foster[47]也测量重碳氢化合物如乙烷、丙烷、正丁烷的ON值。因此,使用组合由Kubesh[52],Daverat[53]和Dimpelfeld[47]和AVL为了计算组分的MN值而开发的软件来测试 ,可以建立ON和MN之间的关系(图4)。在液体燃料和气体燃料之间做的这些工作之间的联系是由MN和ON( 5.7单位对应 10 MN单位)之间的连接关系来连接的。

在全球范围内,有一个很好的协议的结果,由不同的作者共同总结在表2中。最重要的差异源于KLIT(爆振极限进气温度),然而，KLIT在KLST的影响的研究导致以下趋势:
Russ[28]，-7K/°CA
Faure[50]，-7K/°CA
Leiker[3]，-6K/°CA
Schiffgens[46],-10—-5K/°CA
Douaud[51],-14K/°CA

表2中观察到的差异导致了均值计算,基于相对重要（ 5.7ON单位对应到 10 MN单位)的 Russ[28]的KLST变异。
这项工作的目的是在单缸火花点火引擎定义一个爆振指示器,考虑气体成分和引擎调优。在这个研究已经解决了两个要点:
1.用于刻画气态燃料爆振的趋势的MN的能力,从不同的关键参数(等价比率,容积效率,点火提前);
2.测量发动机的甲烷含量需求(MNR)从不同的发动机参数（等价比率,容积效率,点火提前)和比较表2的结果。
温度对爆震极限点火提前的影响也被提出乐，以描画出各种结果的温度依赖性。

2 .材料和方法
试验台,试验台是由Lister-Petter生产的自然吸气的单缸SI燃气发动机。表3给出了这种发动机的主要特征。发动机与发电机相连,发电机保持了速度1500转速/分钟(生成50 Hz电源)。发动机和主要测量在图5中呈现。发动机是基于DI一台柴油机,此发动机是球形燃烧室和平底汽缸盖。它是适应SI操作通过降低压缩比和在喷油器器位置连接一个火花塞。汽缸压力数据采集系统由以下组成组成：
1.传感器AVL QH32D,获得25.28 pC/bar,在0 - 200bar的范围内；
2.压电放大器AVL 3066A0,获得400 pC / V,没有压力参考；
3.固定在进气总管的压电电阻式压力传感器,范围0 - 2.5bar。
缸内压力的采集频率是90千赫,它对应于0.1CA的分辨率。
由COSMA克里斯特公司的500分析器来分析废气。实验进行了合成天然气燃料。九成纯气体的模型(CH4，C2H6，C3H8，C4H10，CO2，N2，O2，H2，CO)模拟各种各样的天然气主要成分，这些成分中遇到固定应用。质量流量决定气体成分和气相色谱法检查气体成分。
气体燃料的辛烷值是由不同的发动机点火提前，与使用的压缩率的Leiker[3]不同。作者也这样选择，是因为点火提前在静止气体发动机中是主要的可调参数。
爆振极限的点火提前(KLSA)的判断,爆震限制取决于逐渐增加的SA直到爆震的发生(图2),通过缸内压力振荡来显现出来。其他发动机参数(等价比率和容积效率)保持恒定在这个操作过程中。爆震极限,与气缸内压力振荡同时出现,被设置成使用PKC(3，6)。爆振的阈值是在爆振循环周期固定的50%(图3)。我们可以发现爆振的门槛固定在50%的PKC,给出来一个接近通过MAPO分析获得的爆震极限(图2)。

3 .结果与讨论

实验分为两个截然不同的阶段。首先,一个不同的甲烷气体成分[54]的模型被建立起来,这些气体的提供甲烷量(SMN)[3]也被测量出来。S

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