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DOI:10.19329/ki.1673-2928.2020.02.014氢气添加对柴油发动机燃烧和排放特性的数值模拟刘近平，王秀峰（安阳工学院，河南安阳455000）摘要：以单缸柴油发动机为研究对象，基于AVL-Fire 软件，构建发动机三维仿真计算模型，在进气歧管处添加氢气，探究氢气/柴油混合燃料发动机的燃烧和排放特性。
通过添加不同比例的氢气与燃烧纯柴油时对比发现：受混合气当量比和氢气燃料燃烧速度的影响，缸内温度随着氢气添加量的增加而增加，并且增加的幅度较为明显；同时，添加氢气后缸内的燃烧过程会略有提前；在一定的氢气添加量下，NO 和碳烟的排放会有所降低，但是随着氢气添加量的进一步提高，受缸内氧气浓度和温度等因素的影响，NO 和碳烟的排放会略有升高。
关键词：柴油机；氢气添加；数值仿真；燃烧特性中图分类号：TN929.53文献标志码：A文章编号：1673-2928（2020）02-0055-05收稿日期：2019-12-202020年3月第19卷第2期（总第104期）安阳工学院学报Journal of Anyang Institute of TechnologyMar,2020Vol.19No.2（Gen.No.104）随着汽车保有量的不断增加，面对石油资源短缺和环境污染加剧的双重压力，寻求新的可替代清洁燃料迫在眉睫。
氢气作为一种清洁的可再生能源，本身燃烧不产生污染物，直接作为发动机的燃料或者添加剂加入到目前的发动机中比较容易实现，因此国内外一些学者对其在发动机中的燃烧特性进行了研究[1-3]。
Madhujit Deb 团队[4]利用台架试验，深入研究了柴油与氢气混合对柴油机燃烧及排放过程的影响，氢气和空气在进气歧管处混合，柴油则采用缸内直喷技术，试验结果显示：氢气添加使得发动机的有效热效率明显上升，缸内压力的峰值和放热率急剧增加，随着氢气含量的增加，碳氧化物和微粒的排放有所降低、氮氧化物排放有所增加。
天然气掺氢输送与应用安全性研究综述1 概述氢气是清洁、高效、零碳的能源载体，具有清洁、高效、可持续的优点，可在供热、交通、工业以及发电等多领域发挥燃料、原料用途。
为消纳可再生能源发电过程中产生的剩余电力，可将其用于制氢，并通过现有天然气管网混合输送到下游市场。
这是应对目前化石能源危机，作为过渡阶段向氢转型的有效途径。
由于氢气与天然气性质差别大，利用现有的天然气输配设施及终端应用设施输送、利用含较高比例氢气的天然气，会带来一系列的适应性问题，增加运输过程的风险，天然气管网掺氢输送的安全性问题有待解决。
本文概述了天然气输配系统和终端应用掺氢的安全性，以及目前的相关研究进展。
2 对既有输配系统的影响2.1 掺氢对管道材料性能的影响2.1.1 掺氢对钢质管道氢脆的影响氢脆是指溶于钢中的氢聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小裂纹的现象。
氢脆是一种长期效应，金属材料长期处于氢环境下，材料的机械性能会下降，从而对氢气储存和输送系统的性能产生巨大影响。
影响氢脆的因素有很多，包括氢气浓度、环境压力和温度、暴露时间、应力状态、机械性能、微观结构、表面条件和材料裂纹性质等。
向天然气管道中掺入氢气的情况比较复杂，输送管道输气压力较高（约4~12 MPa，有些达到14 MPa），使用的钢材强度等级也较高（X52、X56、X60、X65、X70、X80等）。
输配管道运行压力通常小于1 MPa，少部分也高达4 MPa，使用的钢通常以低强度钢（API 5LA、API 5LB、X42和X46）为主，非金属材料以聚乙烯（PE80、PE100）为主，因此需分别进行研究。
氢气对管线力学性能和断裂性能的影响可以通过各种力学实验，即拉伸实验、断裂韧度和疲劳裂纹扩展来定量测量，也可建立模型进行数值模拟，把模拟数据与实验结果相比较，通过相关风险评估图像进行定性分析。
对于临氢管材失效问题的研究有很多。
Hafsi等人基于COMSOL多物理软件，研究了在单管中流动的纯天然气和运输氢气天然气混合物的单环网络中的材料性能，对X52管材的许用应力进行了比较，表明氢气体积分数接近30%依然是可接受的，不会使管道遭受失效风险。
天然气管道掺入氢气的影响及技术可行性分析发布时间：2021-05-21T11:47:44.473Z 来源：《基层建设》2020年第31期作者：李百祥[导读] 摘要：历史上相当长一段时期内，城市燃气曾是一氧化碳和氢气组分的合成气，后来才逐渐更换为天然气，配套的下游用户的设备设施也被更新或更换为适用于天然气介质。
辽宁省石油化工规划设计院有限公司辽宁沈阳 110000摘要：历史上相当长一段时期内，城市燃气曾是一氧化碳和氢气组分的合成气，后来才逐渐更换为天然气，配套的下游用户的设备设施也被更新或更换为适用于天然气介质。
但天然气与氢气物性又有很多不同，使得这些基础设施对氢气的适应具有一定的范围。
天然气掺氢后会对管道及配套设备设施的安全运行，及下游用户带来影响，需要评估影响并确定合理、安全的掺氢比例范围。
氢气的运输成本约占加氢站最终氢气成本的30%~40%。
氢气的经济运输是制约氢能产业发展的瓶颈性问题。
利用已有相对完善的天然气管道设施，掺入一定比例的氢气进行传输，已成为欧美各国的研究热点，为传统油气行业参与氢能产业、获得效益增长点提供了宝贵机遇。
我国在此领域的研究较少，缺少相应的标准规范。
综合分析了目前全球这一研究领域的最新研究情况，分别分析了掺氢后对管道材料、压缩机和管件等的影响，对居民、燃气轮机和内燃机等下游用户的影响，对管道泄漏与运行安全的影响等；并对目前国内外对掺氢比例的要求进行了梳理总结；对我国发展天然气掺氢提出了若干建议。
关键词：天然气管网掺氢；天然气管道一、对管道的影响及技术可行性分析1.对管道材料的影响天然气管道掺入氢气后可能会对管道材料产生氢脆、氢鼓泡、脱碳及氢腐蚀等风险，其中氢脆的风险最大、危害最为严重。
管道的氢脆是氢气与管道金属或金属中的添加物形成固溶物、氢化物、分子状氢气和气体产物（如甲烷）的复杂过程，可以使金属晶界结合力减弱，致使管材塑性下降而产生脆断或微小裂纹或点蚀。
氢气压力、纯净度、环境温度、管道强度水平、变形速率和微观组织等都会影响氢脆的发生，管道中氢气的状态不同，与金属的交互作用也不同，引发氢脆的机理也不同，对应的风险和防治方法也不同。
柴油机掺氢关键技术及实验研究随着全球能源结构的转变和环境保护要求的提高，寻找一种更加清洁、高效的能源替代品成为了当务之急。
氢气作为一种极具潜力的能源，具有高能量密度、零污染等优点，因此被视为未来能源的重要方向。
将氢气掺入柴油机中，可以显著降低污染物排放，提高燃油经济性，是当前研究的热点之一。
本文将围绕柴油机掺氢关键技术及实验进行研究，旨在为相关领域提供有益的参考。
柴油机掺氢技术的研究始于上世纪末，其技术原理是将氢气与空气混合后进入柴油机气缸，参与燃烧过程。
掺氢技术可以降低柴油机的碳烟排放，提高燃油经济性，同时还可以通过调节掺氢比例，控制发动机的动力输出和扭矩。
然而，掺氢技术也存在一些问题，如氢气储存和运输难度大、掺氢比例难以控制、发动机耐久性下降等。
因此，针对这些问题，研究者们开展了大量深入的研究。
本文采用文献调研和实验研究相结合的方法，首先通过文献调研了解柴油机掺氢技术的国内外研究现状、存在的问题和发展趋势。
然后，根据文献综述的结果，设计柴油机掺氢实验方案，通过实验来验证掺氢技术的效果和影响因素。
具体实验方案如下：实验设备：选用某型号柴油机作为实验对象，并配备功率、转速、油耗等测量仪器以及气体分析仪器等。
实验材料：选用不同掺氢比例的氢气与空气混合物作为燃料，同时记录柴油机的运行参数，如功率、转速、油耗等。
实验方法：在保证其他因素不变的前提下，改变掺氢比例，记录柴油机的运行参数和排放数据。
同时，为了探究掺氢对柴油机耐久性的影响，还需进行长周期实验。
通过实验，我们得到了不同掺氢比例下柴油机的运行参数和排放数据，具体结果如下：在掺氢比例为10%时，柴油机的碳烟排放降低了30%，燃油经济性提高了10%，但发动机功率略有下降。
在掺氢比例为20%时，柴油机的碳烟排放降低了40%，燃油经济性提高了15%，但发动机功率下降了10%。
在掺氢比例为30%时，柴油机的碳烟排放降低了50%，燃油经济性提高了20%，但发动机功率下降了15%。
第32卷第1期2011年2月内 燃 机 工 程Chinese Internal Combustion Eng ine Eng ineeringVo l.32No.1F ebr ua ry.2011收稿日期:2009-06-08基金项目:北京市自然科学基金项目(3082004);北京市教育委员会科研基地建设项目(0050005366901)作者简介:汪硕峰(1985-),男,硕士生,主要研究方向为内燃机燃烧、节能与排气净化,E -mail:shfwang@;纪常伟(联系人),教授,E -mail:chwji@ 。
文章编号:1000-0925(2011)01-0043-06320009混氢体积分数对汽油机性能影响的试验研究汪硕峰,纪常伟,闫 皓,张旻玥,刘 洋,张 擘(北京工业大学环境与能源工程学院,北京100124)Experimental Study on Effect of Hydrogen Addition Fraction onPerformance of SI Gasoline EngineWANG Shuo -feng,JI Chang -wei,YAN Hao,ZHANG Min -yue,LIU Yang,ZHANG Bo(College of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of Technology ,Beijing 100124,China)Abstract:Investigation on effects of hydrogen addition fraction o n com bustion and emission character -istics of SI gasoline eng ine w as performed o n a mo dified SI engine equipped w ith an electron -controlled hydro -g en por t -injection system,under the conditions of the excess air ratio o f 1.1and engine speed 1400r/m in.The hydrogen vo lum etric fraction in the total intake air w as g radually increased fro m 0up to 6%by adding hy dro gen injection pulse w idth.T he ex periment r esults demo nstrate that the eng ine brake thermal efficiency (BT E)is impr oved by hydrogen enrichm ent.And w hen the hydrog en vo lum etric fraction reaches 6%,the BT E increases by 14.53%on average,compared to fueled w ith pure gasoline.T he ig nition delay and fast burning duration shor ten,the peak cylinder pr essure rises and its relevant cr ank ang le adv ances,w hile the cyclic variation in peak cylinder pressur e decreases w ith incr easing of hy dro gen enr ichment lev el.At low hy dro gen addition fraction,CO em issio n decr eases w ith the hydr ogen enrichment level increasing,but as hy dro gen volumetric fr actio n reaches 6%,CO emission increases again.H C emissio n r educes and NO x em is -sion increases with the hydr ogen addition.摘要:在一台加装了电控氢气喷射系统的发动机上就过量空气系数为1.1时进气混氢体积分数对发动机性能的影响进行了试验研究。
在发动机转速为1400r/m in 的条件下,调整了氢气的喷射脉宽,使氢气占进气的体积分数依次为0、1%、3%、4.5%和6%。
试验结果表明:混氢后发动机制动热效率升高,在混氢体积分数为6%时,发动机制动热效率比纯汽油机时平均提高14.53%;滞燃期与快速燃烧持续期缩短;缸压峰值增加,缸压峰值位置所对应的曲轴转角提前;发动机循环变动降低。
在混氢体积分数较小时,CO 排放随混氢比的增加而减少,但混氢体积分数为6%时的发动机CO 排放有所升高;混氢后发动机H C 排放减少,但NO x 排放有所增加。
关键词:内燃机;汽油机;氢气;燃烧;排放Key words:IC eng ine;g asoline engine;hydrogen;combustion;emission中图分类号:T K 411文献标识码:A内 燃 机 工 程2011年第1期0 概述由于传统汽油机普遍存在热效率低、排放高的问题,发展新型代用燃料及燃烧方式已经成为内燃机领域所研究的重要课题之一。
目前车用发动机采用的代用能源主要有天然气、液化石油气、乙醇、甲醇以及二甲醚等[1-3]。
其中,天然气点火能量较高,为了保证天然气能够在发动机中正常燃烧,需要适当改进点火系统并加大点火能量;醇类燃料由于汽化潜热较大,燃料在气缸内的蒸发和雾化效果较差,因而容易导致发动机出现低温起动困难的现象;相比之下,氢气则具有点火能量低、燃烧速度快、稀燃界限宽等特点,被普遍认为是未来最理想的内燃机代用燃料[4,5]。
由于氢气的体积比能量密度较低,并且燃烧温度较高,因此纯氢发动机在理论当量比附近工作时容易产生功率下降及NO x 排放升高的问题。
同时,目前氢气的制造成本仍然较高,所以纯氢发动机很难在短时间内被大规模发展和使用。
然而,通过在汽油中混入少量氢气则可以利用氢气优良的燃烧特性来改善汽油机的燃烧与排放性能,从而达到节能和减排的目的。
稀薄燃烧是提高发动机热效率并减少有害排放污染物的有效手段[6,7]。
汽油机在过量空气系数为1.1的稀燃条件下会获得较高的热效率[8]。
而氢气较高的火焰传播速度和较宽的燃烧界限有利于进一步改善汽油机在其经济区间的燃烧特性,从而使发动机的热效率与排放性能得到更大的提高。
本文在一台加装了进气道电控氢气喷射系统的发动机上以转速1400r/m in 、过量空气系数为1.1时,相同进气道压力及点火角条件下,对不同进气混氢体积分数的汽油机燃烧与排放性能的影响进行了试验研究。
1 试验装置与试验方案1.1 试验装置试验用机为北京现代4缸电控汽油机,其主要技术参数见表1。
由于氢气点火能量低,为了避免出现回火现象,试验时对原机进气道进行了相关改造。
在保持发动机原有供油系统不变的条件下,在各缸进气歧管靠近进气门的位置处加装了氢气喷嘴,以保证喷出的氢气能够迅速进入气缸中,进而减少氢气在进气道回火的可能性。
喷氢提前角、喷氢脉宽、喷油提前角及喷油脉宽由一台自主开发的电子控制单元进行控制。
表1 发动机主要技术参数项目参数发动机型式直列4缸、四冲程、水冷缸径 行程/mm 77.4 85 0排量/L 1.599压缩比10最大转矩/(N m)143.28(4500r/min)标定功率/kW82.32(6000r/min)图1为混氢发动机试验系统结构图。
1.汽油箱2.汽油滤清器3.油耗仪4.电动汽油泵5.进气道6.氢气喷嘴7.汽油喷嘴8.发动机9.编码仪10.排气管11.尾气分析仪12.氢气罐13.气瓶开关14.调压器15.氢气压力表16.氢气流量计17.阻燃阀18.空气流量计19.燃烧分析仪20.电荷放大器21.火花塞式缸压传感器22.测功机23.空燃比分析仪图1 混氢发动机试验系统发动机曲轴输出端与GW160型测功机相连接,通过该测功机与自带的控制软件来调整并测量发动机的转速与输出转矩(转矩测量误差为满量程的0.4%;转速测量误差为1r/min)。
采用湘仪动力FC2210型智能油耗仪测量进入发动机的汽油流量(测量误差为满量程的0.4%)。
采用美国EPI -800型质量空气流量计测量进入发动机的空气流量(测量误差为满量程的1%)。
选用七星华创D07-19BM 型系列热式气体质量流量计测量进入发动机的氢气流量(测量误差为满量程的1%)。
Kistler 6117BFD17型火花塞式缸压传感器安装于发动机第4缸来测量混氢前后发动机缸内压力的变化情况(缸压测量非线性度低于0.6%)。
Kistler 2613B 型曲轴信号传感器加装于曲轴前端(试验中曲轴转角分辨率设为0.2 CA,测量误差小于0 01 CA),缸压传感器和编码仪分别通过屏蔽电缆与Dewetron 燃烧分析仪连接。
利用Dew etron 燃烧分析仪中安装的DEWE -CA 燃烧分析软件对发动机连续运行100个循环的缸压和曲轴转角等数据进行采集和处理。
采用日本堀场株式会社生产的H oriba M EXA -110 型空燃比分析仪与H o riba M B -201型宽域氧传感器测量混氢442011年第1期内 燃 机 工 程发动机的空燃比(该系统在空燃比为14.7~30时测量最大误差为 0.1~ 0.7)。
试验过程中根据不同工况下所测得的氢气流量与汽油流量计算进入发动机的燃料中氢、碳原子比,并根据计算结果对该空燃比分析仪进行设置,使该分析仪能够准确地测量混氢后发动机的空燃比。
采用H oriba M EXA-7100DEGR型尾气分析仪测量发动机尾气中H C、CO与NO x的排放浓度。
该分析仪采用氢离子火焰法测量H C浓度;采用化学可见光法测量NO x浓度;采用不分光红外法测量CO的浓度。
3种污染物的测量精度均为10-6(体积分数),测量误差小于读数的1%。
1.2 试验方案试验时保持发动机转速为1400r/min,进气道绝对压力(MA P)为61.5kPa。
同时,由于点火角对于发动机的燃烧过程有较大影响,为了仅研究混氢对发动机燃烧与排放性能的改善作用,本文将发动机点火角始终保持在上止点前22 CA,该点火角与原机在该转速与负荷条件下的点火角相同。
