锐意自控|分析燃气成分对发动机抗爆性的影响

随着燃气发动机技术的进步，能应用于燃气发动机上的可燃气体种类越来越多，比如天然气、沼气、垃圾填埋气、石油伴生气、焦炉煤气、秸秆气、液化气等。可燃气体的气体成分对发动机的性能产生影响，尤其是可燃气体中包含大量的氢气或一氧化碳，对气体在发动机燃烧过程的影响较大。因此，分析燃气特性，有助于根据燃气成分确定发动机的基本配置，提供发动机的动力性、经济性和可靠性。

与汽油类似，燃气在发动机气缸内燃烧时有3种情况：正常燃烧、表面点火和爆震燃烧。其中只有正常燃烧不仅使发动机的动力性得以充分发挥，而且运转非常平稳。表面点火大都是由于发动机的气缸盖或活塞顶部积炭过多所致，与燃料的抗爆性无关。

而爆震燃烧是指可燃气体混合物在气缸内被点燃后，部分未燃混合气因受正常火焰焰面的压缩和热辐射作用而生成大量不稳定的过氧化物；在正常火焰焰面尚未传到之前，过氧化物就发生剧烈分解而自燃，形成一个或多个火焰中心向四面八方传播。爆震燃烧对发动机危害极大。它不仅导致发动机功率急剧下降，燃料消耗量明显上升，严重时还会引起活塞和气门烧坏，轴瓦破裂等故障。

图2、发动机四冲程

图3、气缸爆震原理

因此，可燃气体作为发动机燃料时，其抗爆性是一项重要指标。而气体燃气的甲烷数(MN)是测量气体燃料对非控制燃烧(爆震)的抵抗能力，表示点燃式发动机燃料抗爆性的一个约定数值。有实验表明：甲烷数越低，可燃气的抗爆性越差。

表1、单一可燃气甲烷数

气体燃料的甲烷数是用ASTM的辛烷值评定方法，在规定条件下的标准发动机试验中，将该燃料与标准燃料混合物的爆震倾向进行比较而测定。当被测气体燃料的抗爆性能与按一定比例混合的甲烷和氢气混合气体标准燃料的抗爆性能相同时，该标准燃料中的甲烷体积百分数的数值是该气体燃料的甲烷数。

以某一焦炉煤气为例，它含有60%体积的氢气，经计算其甲烷数为41，因此，可燃气成分直接影响其甲烷数，从而影响燃气发动机的爆震趋势（如图3所示）。因此，通过检测燃气成分，研究可燃气的甲烷数，可有效控制燃气抗爆性，保证发动机可靠性，提高其动力性。

图3、常见可燃气抗爆震趋势

一般测定燃气的主要成分需要采用特定的气体分析仪，再通过ASTM辛烷值评定方法与燃气成分检测结果建立相互关系，计算出辛烷值，最后通过甲烷数与辛烷值的关系进一步确定燃气的抗爆性。

对于天然气、沼气、垃圾填埋气、焦炉煤气、秸秆气等常见的可燃气体，其主要成分是氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙炔、乙烯、丙烯、氧气、氮气、二氧化碳等（如图4所示）。要实现一台气体分析仪器对所有组分的同时测定通常采用气相色谱分析方法，但气相色谱仪运行时需要有多个色谱柱和分离分析步骤，较为复杂费时。激光拉曼光谱分析技术为一项通过测定物质的光散射信号来实现目标分析物的分析方法，具有实时、简便、快捷的技术优势，可替代气相色谱分析技术，目前已广泛应用于可燃气体成分的分析测定。

图4、常见典型可燃气组成成分

由四方光电牵头承担“国家重大科学仪器设备开发专项”——激光拉曼光谱气体分析仪LRGA-6000，基于激光拉曼散射原理，通过对待测气体的特称拉曼散射光谱进行增强、收集、处理和识别。可实现一台仪器对燃气中氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙炔、乙烯、丙烯、氧气、氮气、二氧化碳等多种气体体积浓度的测定。

激光拉曼光谱气体分析技术对比优势

对比红外分析技术——NDIR红外气体分析仪往往只能分析单一组分，且量程范围小。H2、N2、O2没有红外效应，因此不能检测。LRGA-6000量程大，精度高，可分析气体种类多。

对比GC气相色谱技术——GC使用需要载气和色谱柱，且响应时间通常需要几分钟到几十分钟，需专业培训人员操作。LRGA-6000响应时间极短，不需要载气和耗材，操作更简便，使用成本低。

对比MS质谱分析技术——MS质谱仪价格昂贵，维护成本高，操作复杂，很少用作工业现场在线分析仪。而LRGA-6000坚固耐用，操作简单，维护成本低，更适合工厂恶劣环境下在线使用。

图6、LRGA-6000光谱仪

此外，LRGA-6000还可集成多项功能，满足不同应用的需求，在发电厂、化肥、炼油、石油、油田录井、煤化工、钢铁厂、水泥、陶瓷、生物工程等众多工业生产领域均发挥着重要作用。

通过测定可燃气成分，研究可燃气的甲烷数，从而有效控制燃气抗爆性，在保证发动机可靠性的基础上，尽可能提高其动力性，是技术人员所竭力追求的目标。