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预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性

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预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性 预混合氢气,柴油发动机燃烧及排放特性 第16卷第2期 2010年4月 燃烧科学与技术 JournalofCombustionScienceandTechnology Vo1.16NO.2 Apr.2010 预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性 姜大海一,宁智,刘建华,资新运,姚广涛 (1.北京交通大学机电工程学院,北京100044;2.军事交通学院汽车工程系,天津300161) 摘要:以ZS1100单缸柴油机作为研究对象,设计了进气管加氢的预混合氢气进气系统.通过调节进气...
预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性
预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性 预混合氢气,柴油发动机燃烧及排放特性 第16卷第2期 2010年4月 燃烧科学与技术 JournalofCombustionScienceandTechnology Vo1.16NO.2 Apr.2010 预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性 姜大海一,宁智,刘建华,资新运,姚广涛 (1.北京交通大学机电工程学院,北京100044;2.军事交通学院汽车工程系,天津300161) 摘要:以ZS1100单缸柴油机作为研究对象,设计了进气管加氢的预混合氢气进气系统.通过调节进气加氢量,对进 气加氢预混合氢气/柴油发动机不同工况下的燃烧及排放特性进行了试验研究.结果明,氢气和柴油燃烧过程中的协 同作用使得进气加氢预混合氢气/柴油发动机的燃烧和排放表现出一些特性. 关键词:氢气;柴油;预混合;燃烧;排放 中图分类号:X131.1文献标志码:A文章编号:1006—8740(2010)02—0149—06 CombustionandEmissionCharacteristicsofPremixedCharge Hydrogen/DieselEngine JIANGDa—hai,,NINGZhi,LIUJianhua,ZIXin—yun,YAOGuang—tao (1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing1 00044,China; 2.DepartmentofAutomobileEngineering,CollegeofMilitaryTransportation,Tianjin3001 61,China) Abstract:OnthebasisofaZS1100single—cylinderdiesel,flpremixedchargehydrogensystemwithhydrogenin— jectedintoaninhaustpipewasdesigned.Atestwasconductedonthecombustionandemission characteristicsofthe premixedchargehydrogen/dieselengineunderdifferentworkingconditionsbyadjustingthe proportionofhydrogen. Theresultsshowthatthecombustionandemissionofthepremixedchargehydrogen/dieselen ginehaveanumberof uniquecharacteristicsincooperationwithhydrogenanddieselintheprocessofcombustion. Keywords:hydrogen;diesel;premixedcharge;combustion;emission 柴油机是目前热效率最高的动力机械之一.常 规柴油机的燃烧与排放主要受柴油扩散燃烧过程的 控制.研究发现,柴油机燃烧室内的局部高温和浓混 合气是产生碳烟和NO排放的主要原因lJJ.柴油机 新的混合气制备方式和着火与燃烧过程控制技术的 研究对实现柴油机高效低污染具有十分重要的 意义. 氢气以其洁净性和资源永久再生性等优点将是 传统石油燃料的理想替代能源.氢燃料具有燃烧速 度快,着火界限宽和质量放热率高等特点.但是,氢 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 通讯作者: 气发动机易发生回火,早燃等不正常燃烧现象qJ,使 得目前氢气发动机的研究与应用受到一定的 限制. 进气加氢预混合氢气/柴油发动机的燃烧是一种 新的发动机燃烧方式.近年来,国外已对该种燃烧方 式表现出一定的关注,并进行了一定的研究J.进气 加氢预混合氢气/柴油发动机根据氢气及柴油各自的 燃烧特点,在柴油机的进气中加入氢气,利用柴油自 燃所形成的多个着火中心快速引燃燃烧室内的稀薄 氢气预混合气,从而在柴油机上实现稀薄预混合氢气 2009—05—04. 国家自然科学基金资助项(50676107);汽车安全与节能国家重点实验室开放基金 资助项N(KF2006一O7);天津市自然科学基金资助 项目(O8JCYBJC136OO). 姜大海(1977一).男,硕士,讲师,jiang_dahai@shou.corn. 宁智,ningzhixx@sina.CO1TI. ? 150?燃烧科学与技术第16卷第2期 的燃烧.该种燃烧方式有望改善原柴油机的燃烧和 排放特性,同时也为氢气在内燃机中的应用以及柴油 机燃烧过程的控制提供了一条全新的途经. 笔者对进气加氢预混合氢气/柴油发动机的燃烧 与排放特性进行了初步的试验研究.在不同进气加 氢量条件下,实测了发动机不同转速,不同负荷时的 缸内燃烧压力和排放数据;在此基础上,对进气加氢 预混合氢气/柴油发动机的燃烧特性和排放特性进行 了初步的分析. 1试验装置与燃料特性 1.1试验装置与试验方法 试验用发动机为ZS1100型单缸,四冲程,自然 吸气,直喷式柴油机,其主要技术参数如表1所示. 根据试验研究的需要,设计了预混合氢气进气系 统,如图1所示.该系统主要包括氢气瓶组,氢气减 压阀,氢气流量计,氢气共轨块,电控喷氢阀以及氢气 喷嘴等;可对发动机的进气加氢量进行精确测量与控 制.试验时,氢气喷射压力控制在0.6MPa.氢气质 量流量的测量采用DY—EP一05型热式氢气流量计. 表1发动机的结构参数 参数数值 缸径/mml00 冲程/mm1l5 排量/L0.903 标定功-~-'/kW? 标定转速/(r?min.)2200 压缩比17.5 供油提前角/(.)l9 喷孔数/个4 喷孔直径/mm032 气 图1预混合氢气进气系统示意 试验台架采用洛阳南峰机械厂生产的CW26型 电涡流测功机及其相应的控制装置;采用日本小野公 司生产的多通道发动机燃烧分析仪CB一466进行发 动机缸内压力数据的采集;缸内压力传感器采用上海 内燃机研究所生产的SYC一250/1000型压力传感器; 排放测试采用意大利PROTECH公司的IPEXD五气 分析仪和北京恒扬行科技有限公司的OPAX2000型 烟度计;采用双扭线流量计测量发动机的进气流量. 在发动机运行过程中,在排气门关闭后由电控系 统对进气管内的氢气喷射进行控制;通过控制喷射脉 宽,来控制进气加氢量,并保证在进气门关闭前停止 氢气的喷射.试验时,在某一确定工况下,在改变发 动机进气喷氢量的同时调整柴油的喷油量,从而保证 发动机的转速和负荷不变;在此条件下,测量发动机 在不同进气加氢量时的缸内压力和相应的排放 数据. 1.2燃料的特性对比 氢气与柴油相比,燃烧速度快,热值高,更适合稀 薄燃烧,其主要特性见表2(25oC,0.1MPa)[6-71. 表2氢气与柴油特性的对比 燃料氢气柴油 密度/(kg?m.)0.0824860 在空气中的可燃极限4~751.5~7.6 火焰传播速度/(cm?S)"18540 最小点火能量/mJ0.02?—— 质量低热值/(MJ?kg)fl9.742.5 白燃点,K858493 注:液态00c;$化学当量比. 2燃烧特性分析 进气加氢预混合氢气/柴油发动机的燃烧兼具点 燃式发动机与压燃式发动机的特点.缸内预混合的 氢气依靠柴油的压燃多点点燃,属于预混合燃烧.由 于氢气的火焰传播速度较快,在柴油压燃着火后,预 混合氢气燃烧火焰面的前进速度快于柴油扩散燃烧 的火焰面.与纯柴油的燃烧过程相比,柴油扩散燃烧 阶段的燃烧过程将会发生较大的改变. 为了分析方便,将进气加氢预混合氢气/柴油发 动机的燃烧过程按压燃发动机的燃烧过程进行 划分. 2.1进气加氢量对燃烧过程的影响 为了分析进气加氢量对发动机燃烧过程的影响, 在发动机两个确定的工况下,测取了在不同的进气加 氢量下的发动机缸内压力数据. 图2为发动机转速为1300r/min时,在发动机平 均有效压力P.分别为0.15MPa和0.57MPa的条件 下,不同进气加氢量时发动机的缸内压力变化曲线. 从图2可以看到,进气加氢量对缸内燃烧具有重 姜大海等:预混合氢气,柴油发动机燃烧及排放特性 要的影响.在不同负荷条件下,随着预混合进气加氢 量的增加,发动机的缸内压力曲线呈现出相反的变化 规律. 试验结果显示,在P.为0.15MPa的低负荷区, 随着进气加氢量q(氢气流速)的增加,缸内最高爆 发压力出现时刻向后延迟,最高爆发压力下降;与燃 用纯柴油相比,进气加氢量在4.12g/min时,最高爆 发压力出现时刻向后延迟4.CA,最高爆发压力下降 O.67MPa.而在P.为O.57MPa的高负荷区,随着进 气加氢量增加,缸内最高爆发压力出现时刻提前,最 高爆发压力升高;与燃用纯柴油相比,进气加氢量在 4.12g/min时,最高爆发压力出现时刻提前4.CA, 最高爆发压力上升0.71MPa. fCAl (a)P=O15MPa rLIA} (b)P.=O.57MPa 图2不同进气加氢量时缸内压力曲线的比较 发动机在低负荷区工作时,柴油循环喷油量较 小;当进气加氢量增加时,为保持发动机负荷不变,则 需进一步减小柴油的喷油量.计算结果表明,进气氢 气流速在4.12g/min时,相同工况下的柴油喷油量仅 为纯柴油燃烧时的19%,这就使得在急燃期内,参与 燃烧的柴油量过少,柴油的压燃更为困难,从而不利 于形成多个稳定的火焰中心.这也就是在低负荷区, 随着进气加氢量的增加,缸内最高爆发压力出现时刻 滞后,最高爆发压力下降的主要原因. 当发动机工作在高负荷区时,柴油循环喷油量较 大.尽管随着进气加氢量的增加,柴油喷油量会随之 减少,但与低负荷T况相比,急燃期参与燃烧的柴油 量较多,足以形成多个稳定的火焰中心,从而有利于 氢气的着火及火焰的快速传播.当进气氢气流速为 4.12g/min时,氢气的当量比在0.4左右,仍属于稀 燃.已有的研究表明,当氢气混合气当量比小于1 时,氢气层流火焰传播速度随氢气浓度增加而快速增 加I4】.由于氢气燃烧速度快,这就增加了急燃期内的 缸内压力和温度,使得柴油的燃烧速度加快,进而造 成急燃期缩短,压力升高率增加,后燃期缩短. 随着预混合进气加氢量的增加,不同负荷条件下 的发动机缸内压力曲线呈现出完全相反的变化规 律.为了得出发生转变的临界发动机负荷,测取了在 不同进气加氢量时,不同负荷时的发动机缸内压力 数据. 图3给出当发动机转速为1300r/min时,发动 机最大爆发压力随负荷的变化曲线.如图所示,发动 机最大爆发压力变化趋势发生转变的发动机临界负 荷在P.从0.25MPa到0.36MPa之间. /MPa 图3不同进气加氢量时最大爆发压力随负荷的变化 根据发动机的缸内压力数据,计算燃烧放热 率.图4给出了发动机的燃烧持续期随发动机负荷 的变化曲线.在进气加氢量较小时,燃烧持续期随着 负荷增大不断延长,与燃烧纯柴油情况相类似;当进 气加氢量较大时,燃烧持续期随着负荷增大不断缩 短.由此可见,进气加氢可以加速柴油的燃烧,但当 柴油比例过小时,氢气含量的增加反而会使燃烧持续 期延长. P/MPa 图4不同进气加氢量时燃烧持续期随发动机负荷的变化 燃烧科学与技术第16卷第2期 2.2柴油循环喷油量对燃烧过程的影响 在一定的发动机转速下,控制发动机进气加氢量 保持不变,通过改变柴油循环喷油量(发动机负荷)以 研究在不同的进气加氢量条件下,柴油喷油量对发动 机燃烧过程的影响.在一定的发动机转速和进气加 氢量条件下,柴油喷油量的变化意味着发动机负荷的 变化. 图5给出了在发动机转速1300r/min的条件 下,进气氢气流速分别为2.74g/min和4.12g/min 时,不同柴油喷油量(不同负荷)下发动机的缸内压力 变化曲线. 从图5中可以看出,在不同的柴油循环喷油量 (不同的发动机负荷)条件下,缸内最高爆发压力及最 高爆发压力出现时刻均随进气加氢量的变化而有一 定程度的变化,而燃烧的滞燃期和缓燃期变化不 明显. 对比两种进气加氢量的试验结果可以发现,进气 加氢量较小时,随着发动机循环喷油量(发动机负荷) 的增加,最高爆发压力点相对于进气加氢量较大时的 情况有较大的延迟.进气加氢量q=2.74g/min时, 平均有效压力P为0.70MPa时的最高爆发压力点 相对于P.为0.28MPa时的最高爆发压力点延迟 5.CA左右;而进气加氢量q为4.12g/min时,在相 同的循环喷油量(发动机负荷)的变化范同内,最高爆 发压力点仅延迟2.CA左右.说明进气加氢量较大 时,在较高的循环喷油量(发动机负荷)条件下,急燃 期内的缸内压力升高率有明显的提高. 从图5的两种进气加氢量的试验结果中也可以 看到,进气加氢量在发动机不同负荷时产生截然相 反的影响规律.进气加氢量较大时,在较大的柴油循 环喷油量(较大的负荷)条件下,最高爆发力有一定 程度的增加,同时最高爆发压力点略有提前.在平均 有效压力Pme为0.70MPa时,进气加氢量q为 4.12g/min时的最高爆发压力比q为2.74g/min时 最高爆发压力提高0.5MPa,最高爆发压力现时刻 提前1.CA.但在较低的柴油循环喷油量(较低的负 荷)条件下,进气加氢量增大时,最高爆发压力降低, 最高爆发压力出现时刻有一定程度的延迟.在平均 有效压力P.为0.28MPa时,进气加氢量g, 为 4.12g/min时的最高爆发压力比q为2.74g/min时 的最高爆发压力降低1.0MPa,最高爆发压力出现时 刻延迟1.CA. /CAl (b)qH! = 4.12g/min 图5不同发动机负荷时缸内压力曲线的比较 当发动机转速和进气加氢量不变时,发动机缸内 的氢气混合气浓度保持不变,发动机负荷的增加只是 意味着柴油喷油量的增大.在较高的循环喷油量(较 高的负荷)条件下,较大的进气加氢量时预混合氢气 的浓度较高,氢气火焰的传播速度较快;加之在相同 的负荷条件下,进气加氢量的增加意味着柴油机喷油 量的减少,因此更有利于柴油的燃烧,使得大部分柴 油和氢气在急燃期内完成燃烧,从而提高了急燃期内 的压力升高率.而当预混合氢气浓度较低时,对柴油 燃烧的促进作用也随之降低. 2.3不同转速下的引燃柴油量 对于缸内预混合氢气来说,缸内直喷柴油的燃烧 起到引燃预混合氢气的作用.进气加氢预混合氢气/ 柴油发动机的燃烧受预混合氢气燃烧和柴油燃烧的 协同作用.当起引燃作用的柴油量过小时,由于引燃 柴油量小,点火能量较低,不利于氢气的着火与火焰 的传播,因而造成缸内最高爆发压力的下降以及最高 爆发压力现时刻的延迟.因此,为保证发动机在某 一 转速工况下的最大平均有效压力不下降,在不同的 发动机转速T况下都存在一个最低引燃柴油量. 图6给m的是在发动机最大平均有效压力保持 与原柴油机相应转速下的最大平均有效压力相同条 件下,引燃柴油量及引燃柴油量占最大循环喷油量 姜大海等:预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性?153? 的比例随发动机转速的变化规律.图中的引燃柴油 量用循环喷油量表示. 发动机转速t(r?rain1 图6不同转速时的引燃柴油量及其所占最大循环 喷油量的比例 从图6中可以看到,发动机的转速对引燃柴油量 的比例有较大的影响,发动机最大平均有效压力保持 不变的条件下,引燃柴油量及引燃柴油量占最大循 环喷油量的比例随发动机转速的上升而增加.较低 转速时,发动机最大平均有效压力保持不变,引燃柴 油量占最大循环喷油量的比例也相对较小;但随着发 动机转速的升高,点燃氢气预混合气所需的引燃柴油 量相应地增加.如发动机转速n=l300r/min时,发 动机最大平均有效压力保持不变,则引燃柴油量占 最大循环喷油量的比例为30%;但n=2000r/min时, 该比例则接近40%. 3排放特性分析 进气加氢预混合氢气/柴油发动机的排放特性主 要取决于柴油和氢气的燃烧以及柴油和氢气燃烧的 协同作用.柴油机燃烧的主要排放污染物是微粒和 NO,而氢气燃烧的排放污染物只有N.因此,通过 试验对进气加氢预混合氢气/柴油发动机的烟度与 NO的排放特性进行分析. 3.1碳烟排放特性 碳烟是柴油机的主要排放污染物,进气加氢后, 发动机的碳烟排放特性将发生相应的变化.图7给 出的是在发动机转速分别为1300r/min和2000 r/min的条件下,不同进气加氢量时,发动机排放的波 许烟度随发动机负荷的变化. 从图7中可以看到,进气加氢后,不同转速,不同 负荷下的发动机的排放烟度都有较大幅度的下降;进 气加氢量越大,排放烟度值下降得越明显.在较高的 进气加氢量条件下,进气加氢对发动机高速,高负荷 下的碳烟排放的抑制作用更为显着.由此可见,进气 加氢可以显着地改善原柴油机的碳烟排放状况. 进气加氢可以改善柴油机碳娴排放的原因是显 而易见的.对于柴油机来说,随着负荷的增加,循环 喷油量增大,过量空气系数减小;柴油的局部缺氧燃 烧必然会造成碳烟排放的增加.而对于进气加氢预 混合氢气/柴油发动机来说,在相同的发动机工况下, 进气加氢量的增加意味着柴油循环喷油量的减少,柴 油喷油量的减少必然会降低发动机碳烟的排放.另 外,随着进气加氢量的增加,预混合氢气的浓度增大, 氢气燃烧速度提高;虽然高负荷下柴油喷油量较大, 但缸内氢气燃烧对火焰传播的促进作用对缸内柴油 的燃烧非常有利;同时,火焰传播速度的提高也有利 于加速缸内已有碳烟的后燃氧化. P,kW (a)n=1300r/min P/kW (b)n=2000r/min 图7不同进气加氢量时排放烟度随发动机工况的变化 3.2氮氧化物排放特性 进气加氢除了会影响到发动机的碳烟排放外,还 会对N的排放产生一定影响.图8给出的是在发 动机转速分别为1300r/min和2000r/min的条件 下,不同进气加氢量时,发动机NO排放随发动机负 荷的变化. 从图8中可以看到,与碳烟排放随进气加氢量单 调变化的规律不同,N排放随进气加氢量的变化在 中小负荷和大负荷工况下表现完全不同的变化规 律.在1300r/min和2000r/min两种转速下,在中 小负荷工况时,N排放量随进气加氢量的增加而减 小;而在高负荷工况时,NO排放量随进气加氢量的 燃烧科学与技术第16卷第2期 增加而增大. 影响缸内N生成率和排放率的主要因素有缸 内最高燃烧温度,高温持续时间以及缸内氧气浓 度.从进气加氢预混合氢气/柴油发动机的燃烧特性 的分析中可以看到,在低负荷工况条件下,随着进气 加氢量的增加,缸内最高爆发压力下降,最高燃烧温 度降低,同时由于进气管加氢会相应地减少缸内的空 气充量,因此抑制了N的生成.而在高负荷工况条 件下,随着进气加氢量的增加,缸内最高爆发压力上 升,最高燃烧温度提高,尽管进气管加氢和柴油喷油 量的提高使得缸内过量空气系数减小,但此时缸内仍 处于稀燃状态.各种因素综合作用的结果使得随着 氢气当量比的增大,发动机的NO排放增加. /kW (b)n=2000r/rnin 图8不同进气加氢量时NO排放随发动机负荷的变化 4结论 (1)随着进气加氢量的增加,在低负荷工况下, 缸内最高爆发压力点出现时刻延迟,最高爆发压力下 降,燃烧持续期延长;而在高负荷工况下,缸内最高爆 发压力出现时刻提前,最高爆发压力上升,燃烧持续 期缩短. (2)进气加氢量较大时,随着发动机循环喷油 量(发动机负荷)的增加,最高爆发压力点相对于进气 加氢量较小时的情况向前移动,说明进气加氢量较大 时,在较高的循环喷油量条件下,急燃期内的缸内压 力升高率有明显的提高. (3)当发动机最大平均有效压力保持不变时, 引燃柴油量及引燃柴油量占最大循环喷油量的比例 随发动机转速的上升而增加. (4)进气加氢可以有效地减少发动机的碳烟排 放.进气加氢量越多,排放烟度越低. (5)在发动机中小负荷工况下,N排放随着 进气加氢量的增加而减小;在高负荷工况下,N排 放随着进气加氢量的增加而增大. 参考文献: l1JOttoUyehara.FactorseffecttheformationofNOin dieselengines[c]//8AEPaper.Detroit,MI,USA, 1991.910732. 【2]StewartDW,RyanIIITW,MatheausAC.Ncon- trolinheavydutydieselengines:Whatisthelimit[C]// SAEPaper.Detroit,MI,USA,1998,980174. [3]刘福水,郝利君,HeitzPeterBerg.氢燃料内燃机技 术现状与发展展望[J].汽车工程,2006,28(7): 621—625. LiuFushui,HaoLijun,HeitzPeterBerg.Technical statusquoanddevelopmentprospectofhydrogenICell— gine[J].AutomotiveEngineering,2006,28(7):621- 625(inChinese). 14jWhiteCM,SteeperaRR,LutzaAE.Thehydrogen— fueledinternalcombustionengine:Atechnicalre- view[Jj.InternationalJournalofHydrogenEnergy, 2006,3l(10):1292—1305. 15JSaravananN,NagarajanG,NarayanasamyS.Anex? perimentalinvestigationonDIdieselenginewithhydro— genfuel].RenewEnergy,2008,33(3):415-421. 16JLewisB,vonElbeG.Combustion,FlameandExplo— sionsofGases[M].London:AcademicPress,1987. [7]翟秀静,刘奎仁,韩庆.新能源技术[M].北京: 化学工业出版社,2005. 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