半闭式循环发动机实验方法学：基于碳捕集富氧燃烧中试装置的启示

《Energy Conversion and Management》：Experimental methodology for semi-closed cycle engines: Insights from an oxy-fuel combustion pilot plant for carbon capture

　　

本研究提出一种用于测试运行于半闭式循环(SCC)富氧燃烧(OFC)模式下的往复式内燃机(RICE)的实验方法学，该技术方案可实现近零NOx排放、原始排气流中CO与未燃碳氢(uHC)大幅削减，并具备固有的CO2捕集能力。不同于以往主要局限于仿真或单缸机的探索，该方法学在一台全尺寸2.2 L车用压燃式(CI)发动机于代表性工况下完成实验验证。发动机经改造采用高压O2喷射、进气歧管可控液态水喷射及排气干燥系统，以产生高浓度水饱和气态CO2流。研究人员构建了专用测量框架以量化燃料与O2消耗、缸内压力、系统压力温度及气态排放。结果证实，仅需微小硬件改动即可在量产CI发动机上实现稳定SCC-OFC运行，支持改装适用性。水喷射提升工质有效热容并缓和燃烧温度；然而观测到部分冷凝与EGR流替代，降低了有效缸内O2-燃料比并影响燃烧行为。针对SCC气体成分未知的测量难题，研究人员开发了量化气体流量与浓度的专用方法学，并以蒙特卡洛法的不确定性分析予以支撑。总体而言，本工作确立了商用发动机测试SCC-OFC的实验准则，并演示了面向直接CO2分离的可捕集就绪运行。

研究背景方面，难减排行业如石化、水泥钢铁、重型运输与航空的脱碳需求迫切，传统开放循环内燃机无法直接满足近零排放与碳捕集要求。半闭式循环(SCC)富氧燃烧(OFC)往复式内燃机(RICE)以燃烧产物CO₂与H₂O为循环工质，外供O₂替代空气，可将NO_x降至近零、削减CO与uHC，并输出高浓度CO₂流以供直接分离，但既往研究多停留于仿真或单缸机，缺乏全尺寸多缸机实验方法学。研究人员在《Energy Conversion and Management》报道了该工作，旨在建立量产压燃式(CI)发动机SCC-OFC实验准则与测量框架。

关键技术方法上，研究人员基于一台商用四缸2.2 L CI发动机（缸径85 mm、行程102 mm、排量2170 cc、压缩比16.2）搭建中试台架；改装包括高压O₂罐供给、进气歧管液态水喷射、由三台板式冷凝器与冷却塔水构成的排气冷凝回收系统、六换热器热能回收网络(HEN)及开路Brayton循环涡轮增压与e-booster组合；控制自由度锁定为O₂-燃料比(λ)、进气压力与进气温度三回路，冷启动采用外接O₂预混惰性气体且干基O₂浓度>50%、进气温约70℃、压力>1.5 bar；数据处理用Python后处理结合V-cone差压流量计与Horiba VA-5000干基CO₂/O₂分析仪，以质量守恒与干基浓度反演各支管流量，并以蒙特卡洛法评定不确定度。

研究结果部分，引言指出SCC-OFC相对氩动力循环(APC)以CO₂-H₂O为廉价比工质，水喷射(WI)在OFC中作用由传统降NO_x转为增γ与蒸发降温，并阐明流量与液滴 ingestion 为两大测量难点。实验设施描述中，研究人员配置DOC-DPF后处理、HEN换热与冷凝液回喷系统，测试边界止于背压阀(BP-Valve)下游。测试协议小节明确冷启动需外接O₂预条件、三自由度独立控制（λ由PID按燃油流量调O₂供给、进压由BP滑阀节流、进温由e-booster风量加冷凝液蒸发冷却协同），中选工况为1500 rpm、燃油7.5 kg/h、进压1.8 bar、进温100–115℃、湿EGR使H₂O质量分数20%–40%。数据处理方法学小节给出假设全系统仅含H₂O-CO₂-O₂、干基仅CO₂+O₂且注O₂点前后干基浓度一致，由式(2)(3)(4)推得进气流O₂与CO₂质量流量及含水分数，并估算液态水 ingestion 量。

讨论与结论翻译总结：研究人员确认量产CI发动机经少量硬件修改即可稳定SCC-OFC运行，水喷射提高工质热容并降温但引发部分冷凝与EGR替代效应，降低有效O₂/燃料比；针对成分未知闭环气流，所建基于干基双组分反演与V-cone差压的流量浓度量化方法配合蒙特卡洛不确定度分析，可满足实验精度需求。该工作为商用发动机SCC-OFC测试提供首套实验准则，证明capture-ready（可捕集就绪）运行可行，对难减排行业现有动力系统脱碳改装具有直接方法论意义。