Experimental study on performance and emission characteristics of lean burn SI engine fuelled with hydrogen methane blends

• Autorzy: Przybyła G. , Nagaraja S.

Warianty tytułu

PL

Badania silnika spalinowego ZI zasilanego nadstechiometryczną mieszanką metanu z wodorem

• Konferencja: International Congress on Combustion Engines (5 ; 24-26.06.2013 ; Bielsko-Biala, Poland)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An experimental study on the performance and exhaust emissions of a spark ignition engine fueled with methane(CH₄)-hydrogen (H₂) blends was carried out at a constant speed of 1500 rpm and fixed excess air ratio (λ) of 1.5. The tests were carried out for pure methane and 2 blends (93% (by vol.) CH₄ + 7% (by vol.) of H₂, 77% (by vol.) CH₄ + 23% (by vol.) of H₂) at part load conditions in a naturally aspirated, three cylinder engine with a compression ratio of 9.3:1. The effects of hydrogen addition was studied at various spark timing and it is observed that the Maximum Brake Torque timing (MBT) retarded with increase in concentration of hydrogen. The coefficient of variation in indicated mean effective pressure (COV_imep) decreases in blends, indicating stable combustion with hydrogen enrichment. A decrease in burn duration is observed and the crank angle at which peak pressure occurred, is tending towards top dead center (TDC) with increase in concentration of hydrogen due to higher laminar flame speed of the mixture enriched with hydrogen. In case of blends, specific emissions of carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (HC) decreases. However, there is considerable increase in specific emissions of oxides of nitrogen (NO_x).

PL

Przeprowadzono badania eksperymentalne energetycznych parametrów pracy silnika spalinowego ZI oraz jego oddziaływania na środowisko naturalne podczas zasilania mieszaniną metanu z wodorem. Analizowano pracę silnika podczas spalania mieszanki ubogiej (λ = 1,5) przy stałej prędkości obrotowej wynoszącej 1500 obr/min. Badania wykonano dla zasilania czystym metanem oraz dwiema mieszankami o różnym udziale objętościowym wodoru tj. 7% H₂, 93% CH₄ oraz 23% H₂, 77% CH₄. Badano wpływ kąta wyprzedzenia zapłonu na przebieg procesu spalania. Zaobserwowano, że optymalna wartość kąta wyprzedzenia zapłonu zmniejsza się dla wyższej zawartości wodoru w mieszance palnej. Ponadto wskaźnik sygnalizujący poziom niepowtarzalności pracy indykowanej w kolejnych cyklach roboczych osiąga niższe wartości dla mieszanek wzbogaconych wodorem, co oznacza stabilniejszy przebieg procesu spalania. Spalanie mieszanek metanu z wodorem prowadzi do nieznacznego ograniczenia emisji CO oraz HC, natomiast wielkość emisji NO_x rośnie za sprawą wyższej temperatury spalania dla mieszanki CH₄ , H₂.

Słowa kluczowe

EN

IC engine; hydrogen; indicated efficiency; specific emissions

PL

silnik spalinowy ZI; wodór; sprawność indykowana; wskaźniki emisji

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Combustion Engines
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 54, nr 3
• Strony: 556--562
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., wykr., pełen tekst na CD

Twórcy

autor

Przybyła G.

• Faculty of Power and Environmental Engineering, Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Nagaraja S.

• Faculty of Power and Environmental Engineering, Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Ma, F., & Wang, Y. Study on the extension of lean operation limit through hydrogen enrichment in a natural gas spark-ignition engine. International Journal of Hydrogen Energy, 33(4), pp 1416-1424, 2008.
• [2] Huang, Z., Zhang, Y., Zeng, K., Liu, B., Wang, Q., & Jiang, D. Measurements of laminar burning velocities for natural gas– hydrogen–air mixtures. Combustion and Flame, 146(1), pp 302-311, 2006.
• [3] Ma, F., Wang, Y., Liu, H., Li, Y., Wang, J., & Ding, S. Effects of hydrogen addition on cycle-by-cycle variations in a lean burn natural gas spark-ignition engine. International Journal of Hydrogen Energy, 33(2), pp 823- 831, 2008.
• [4] Collier, K., Hoekstra, R. L., Mulligan, N., Jones, C., & Hahn, D. Untreated exhaust emissions of a hydrogen-enriched CNG production engine conversion (No. 960858). SAE Technical Paper, 1996.
• [5] Kahraman, N., Ceper, B., Akansu, S. O., & Aydin, K. Investigation of combustion characteristics and emissions in a spark-ignition engine fuelled with natural gas– hydrogen blends. International Journal of Hydrogen Energy, 34(2), pp 1026-1034, 2009.
• [6] Wang, J., Huang, Z., Tang, C., Miao, H., & Wang, X. Numerical study of the effect of hydrogen addition on methane–air mixtures combustion. International journal of hydrogen energy, 34(2), pp 1084-1096, 2009.
• [7] Raman, V., Hansel, J., Fulton, J., & Lynch, F. Hythane-an ultraclean transportation fuel. HYDROGEN ENERGY PROGRESS, 3, pp 1797-1797, 1994.
• [8] Brown, A. G., Stone, C. R., & Beckwith, P. Cycle-by-Cycle Variations in Spark Ignition Engine Combustion-Part I: Flame Speed and Combustion Measurements and a Simplified Turbulent Combustion Model (No. 960612). SAE Technical Paper, 1996.
• [9] Li XH, Jiang DM, Shen HX. Study on evaluation methods of pressure cyclic variation in spark ignition engines. Trans CSICE;18(2): pp 171–174, 2000.
• [10] Robinet, C., Andrzejewski, J., & Higelin, P. Cycle-to-cycle variation study of an SI engine fired by spark plug and a non conventional device (No. 972986). SAE Technical Paper, 1997.
• [11] Sierens, R., & Rosseel, E. Variable composition hydrogen/natural gas mixtures for increased engine efficiency and decreased emissions. Journal of engineering for gas turbines and power, 122(1), pp 135-140, 2000.
• [12] Ma, F., Wang, Y., Liu, H., Li, Y., Wang, J., & Zhao, S. Experimental study on thermal efficiency and emission characteristics of a lean burn hydrogen enriched natural gas engine. International Journal of Hydrogen Energy, 32(18), pp 5067-5075, 2007.