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Journal of Combustion Science and TechnologyV ol.16 No.2 Apr. 2010收稿日期：2009-05-04．基金项目：国家自然科学基金资助项目(50676107)；汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目(KF2006-07)；天津市自然科学基金资助项目(08JCYBJC13600)． 作者简介：姜大海（1977— ），男，硕士，讲师，jiang_dahai@shou ．com ． 通讯作者：宁 智，ningzhixx@sina ．com ．预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性姜大海1,2，宁 智1，刘建华1，资新运2，姚广涛2(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．结果表明，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)02-0149-06Combustion and Emission Characteristics of Premixed ChargeHydrogen/Diesel EngineJIANG Da-hai 1,2，NING Zhi 1，LIU Jian-hua 1，ZI Xin-yun 2，YAO Guang-tao 2(1. College of Mechanical and Electrical Engineering ，Beijing Jiaotong University ，Beijing 100044，China ； 2. Department of Automobile Engineering ，College of Military Transportation ，Tianjin 300161，China ) Abstract ：On the basis of a ZS1100 single-cylinder diesel ，a premixed charge hydrogen system with hydrogen in-jected into an inhaust pipe was designed. A test was conducted on the combustion and emission characteristics of the premixed charge hydrogen/diesel engine under different working conditions by adjusting the proportion of hydrogen.The results show that the combustion and emission of the premixed charge hydrogen/diesel engine have a number of unique characteristics in cooperation with hydrogen and diesel in the process of combustion.Keywords ：hydrogen ；diesel ；premixed charge ；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 x 排放的主要原因[1-2]．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，氢气发动机易发生回火、早燃等不正常燃烧现象[3-4]，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[5]．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·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 -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/mm100 冲程/mm 115 排量/L 0.903 标定功率/kW 11 标定转速/(r ·min -1)2 200 压缩比17.5 供油提前角/(°) 19 喷孔数/个 4 喷孔直径/mm0.32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CW 26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 -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 -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(25℃，0.1MPa )[6-7]．表2 氢气与柴油特性的对比燃料氢气 柴油密度/(kg ·m -3)0.082 4 860*在空气中的可燃极限/% 4~75 1.5~7.6 火焰传播速度/(cm ·s －1)**185 40最小点火能量/mJ ** 0.02— 质量低热值/(MJ ·kg -1)119.7 42.5自燃点/K858 493注：*液态0℃；**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 me 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2010年4月 姜大海等：预混合氢气/柴油发动机燃烧及排放特性 ·151·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 me 为0.15MPa 的低负荷区，随着进气加氢量2H 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0.67MPa ．而在p me 为0.57MPa 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 ．(a ) p me =0.15MPa(b ) p me =0.57MPa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，但与低负荷工况相比，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[4]．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 me 从0.25MPa 到0.36MPa 之间．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．图4 不同进气加氢量时燃烧持续期随发动机负荷的变化·152· 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2H q =2.74g/min 时，平均有效压力p me 为0.70MPa 时的最高爆发压力点相对于p me 为0.28MPa 时的最高爆发压力点延迟 5°CA 左右；而进气加氢量2H q 为4.12g/min 时，在相同的循环喷油量(发动机负荷)的变化范围内，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，最高爆发压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p me 为0.70MPa 时，进气加氢量2H q 为4.12g/min 时的最高爆发压力比2H q 为2.74g/min 时最高爆发压力提高0.5MPa ，最高爆发压力出现时刻提前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 me 为0.28MPa 时，进气加氢量2H q 为4.12g/min 时的最高爆发压力比2H 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 ．(a ) 2H q =2.74g/min(b ) 2H q =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出现时刻的延迟．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工况下都存在一个最低引燃柴油量． 图6给出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2010年4月姜大海等：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．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=1300r/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 x，而氢气燃烧的排放污染物只有NO x．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 x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著．由此可见，进气加氢可以显著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烟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．(a)n=1300r/min(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NO x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 x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，NO x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出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，NO x排放量随进气加氢量的增加而减小；而在高负荷工况时，NO x排放量随进气加氢量的·154·燃 烧 科 学 与 技术第16卷 第2期增加而增大．影响缸内NO x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NO x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 x排放增加．(a)n=1300r/min(b)n=2000r/min图8不同进气加氢量时NO x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，NO x排放随着进气加氢量的增加而减小；在高负荷工况下，NO x排放随着进气加氢量的增加而增大．参考文献：［1］Otto Uyehara. Factors effect the formation of NO x in diesel engines [C]// SAE Paper. Detroit，MI，USA，1991，910732.［2］Stewart D W，Ryan III T W，Matheaus A C. NO x con-trol in heavy duty diesel engines：What is the limit[C]//SAE Paper. Detroit，MI，USA，1998，980174. ［3］刘福水，郝利君，Heitz Peter Berg. 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.Liu Fushui，Hao Lijun，Heitz Peter Berg．Technicalstatus quo and development prospect of hydrogen IC en-gine[J]. Automotive Engineering，2006，28(7)：621-625(in Chinese).［4］White C M，Steepera R R，Lutza A E. The hydrogen-fueled internal combustion engine：A technical re-view[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2006，31(10)：1292-1305.［5］Saravanan N，Nagarajan G，Narayanasamy S. An ex-perimental investigation on DI diesel engine with hydro-gen fuel[J]. Renew Energy，2008，33(3)：415-421. ［6］Lewis B，von Elbe G．Combustion，Flame and Explo-sions of Gases[M]. London：Academic Press，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.Zhai Xiujing，Liu Kuiren，Han Qing．New Energy Tech-nology[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2005(inChinese)．。