关于直喷压缩点火氢发动机实验研究.doc

关于直喷压缩点火氢发动机实验研究J.M. Gomes Antunes, R. Mikalsen, A.P. Roskilly*关键词:氢，发动机，压缩点火，直接喷射，柴油机摘要：这篇文章介绍了一种直喷氢柴油实验测试装置的发展。结果表明:利用氢直喷柴油机与传统燃料柴油机相比有更高的功率密度，峰值功率大约高14%。氢燃料发动机在进口使用空气加热系统确保满意的燃烧，并且观测汽缸内汽油压力峰值的增加。实验者研究发现使用氢气相对于柴油燃料有很大的效率优势：氢气燃料发动机燃油效率大约43%而传统柴油燃料28%的燃油效率。同时在氮氧化物排放形成上减少大约20%。This paper describes the development of an experimental setup for the testing of a diesel engine in the direct injection hydrogen-fuelled mode. Test results showed that the use of hydrogen direct injection in a diesel engine gave a higher power to weight ratio when compared to conventional diesel-fuelled operation, with the peak power being approximately 14% higher. The use of inlet air heating was required for the hydrogen-fuelled engine to ensure satisfactory combustion, and a large increase in the peak in-cylinder gas pressure was observed. A significant efficiency advantage was found when using hydrogen as opposed to diesel fuel, with the hydrogen-fuelled engine achieving a fuel efficiency of approximately 43% compared to 28% in the conventional, diesel-fuelled mode. A reduction in nitrogen oxides emission formation of approximately 20% was further observed.1.简介 使用氢燃料(H2)作为内部的燃料发动机已经被一系列的研究小组研究了，这反应政府的压力和对环保燃料消费需求。与传统化石燃料发动机相比，氢燃烧的污染物质几乎消除，而一氧化碳和未燃烧碳氢化合物对人口稠密的地区造成健康风险。氢气发动机唯一的污染物就是氮氧化物(NOx)，然而氢燃料的特点，例如在高的火焰速度和在广泛的微弱燃烧下,将比使用传统的燃料大量减少Nox。如果这一代的氢燃料可以被用作可再生能源，并且其他的问题如关于氢气的储存和运输可以被解决，把化石燃料替换成可再生氢气作为能量载体将有助于缓和二氧化碳排放量在全球的环境的影响。1.1氢气作为一种燃料大多数的内燃机研究使用氢燃料集中预混合，火花点火(SI)发动机，大部分都被汽车业（1-3）驱动。一些研究者已经证实这种发动机的具有高燃油效率、低排放。然而,由于储氢和运输的问题以及一些缺少的基础设施，氢发动机没有被广泛应用。使用预混合氢压缩点火(HCCI)模式已经被一些作者4 7研究过了；关键问题是在这样的发动机进行HCCI发动机点火提前角控制是目前最大的问题,。可以在柴油发动机进气口使用预混合氢解决这样问题，并且柴油喷射时间可以用来控制点火。许多作者已经研究了8 13这些问题，并且这些系统具有的另一个潜在的优势那就是氢的存在可以提高燃油燃烧。这允许使用较差的燃料或不同点火特性的燃料，例如生物燃油。然而两个燃料贮存、供应、喷射系统使这想法的应用变的不实际。预混合氢发动机里一些操作性的问题确实存，这些问题可能会限制这类发动机的应用并且会导致操作困难。氢具有很高的自燃点和很大的可燃性范围,使它特别适用于高压微燃烧发动机。此外,高的火焰速度可以防止发动机敲缸。并且点火能量比传统的燃料显著要低，特别是大负载氢发动机倾向于提前点火。一种更大的挑战是，由于氢的密度低，氢氧的理论比例混合大约是83%的汽油氧混合能量，这将减少预混合氢气发动机功率的输出典型的30%，与汽油发动机相比，在这样的发动机下将导致功率密度下降。此外,使用气态燃料需要发展燃油喷射计量系统,并给出了不存在常规燃料的安全问题,包括进气总管逆火。1.2氢直接注入氢在压缩点火(CI)发动机里直接注入燃烧室，是同一个引擎以预混合的模式运行输出功率的两倍。这样的一个发动机功率输出也会高于传统燃料发动机,因为每标准公斤的空气化学计量燃烧热比氢高(约氢3.37MJ 汽油2.83MJ1)。当使用直接注射时与进口空气流逆火燃烧时和功率下降相关的问题将不会发生。然而,一些问题与在喷射发动机内使用氢直接相关，这些问题与氢的性能相关。主要的问题是氢气较高的自然温度,很长的自动点火延迟和压力高速上升。在另一方面，氢有优越的性能例如高的火焰速度、短的熄火间隔、高热值和高扩散率。为了提高氢气燃料CI发动机的性能，必须了解氢气燃烧机制，包括怎样改变变量影响氢点火燃烧，以及如何控制它们14。本文将介绍如何发展实验装置去调查氢气燃料在直接喷射发动机上的性能，以及在同样的操作下研究发动机性能。初步试验结果显示了DI氢气燃料发动机的基本性能和同样的传统的柴油模式发动机性能比较结果。2.研究发动机和实验装置实验的建立是围绕着一个单汽缸柴油机在直接注射模式运行氢方面的改进。本节将描述这一实验室装置，包括氢喷系统发展和试验。这个系统是使用预混合压燃模式在进气口注射氢。这提供了灵活的研究工具允许实验研究多种操作模式，包括使用氢和柴油双燃料。实验得出使用氢燃料发动机压缩点火模式平均负荷，这先前已经被作者4提出。2.1.燃烧发动机和实验装置研究性发动机是一种改进的四冲程发动机、单缸、自然进气、风冷柴油机。主发动机使用说明书如表1显示。使用适当的传感器测量设备可以测量发动机运作变量如气体的压力和温度、曲轴位置、废气排放和空气质量流。实验装置如图1。改进发动机以适应两端口注射和直接喷射氢气。这包括了氢燃料喷射器的改进以及电子燃油喷射控制调速计时系统的改进，包括曲轴位置编码器。变动在以下作更进一步详细描述。相应的安全措施为氢燃烧操作应用试验台。这包括在发动机安装一个较低的爆炸极限(爆炸下限)传感器去监控H2的浓度使发现任何爆炸风险时H2注射被取消。排气管从曲轴箱管道开始安装，连接到发动机的进气总管并且在注射管处安装防火帽。在进气口处安装计量器，还需要安装快速关闭阀。发动机直接连接到恒定单一排水量液压泵。通过液压限制阀改变排放泵压力使发动机负荷是多样的。液压系统布置在试验台上，所有发动机工作条件允许一个稳定的负荷。通过制动负荷计算和液压压缩泵线压力传感器装备可以计算发动机轴功率。液压泵功率在完整的工作范围内变化，通过线性回归分析出口压力已经被纳入数据采集系统。图1.发动机实验装备 发动机制造商道依茨发动机模型 F1L511孔 100mm冲程 105mm扫气容积 825cm3最高转速 3000rpm实验速度 2100rpm活塞平均速度7.4m/s压缩比17:1额定功率9000W 表1.研究发动机说明书2.2氢注射系统 燃油喷射系统执行两项基本功能：燃料增压和燃料计量。当处理气体燃料时，只有计量功能需要由喷射系统增压另行执行。氢在高压下储存大约200bar就不需要能量供应(以燃料泵的形式)燃料通过喷嘴进入燃烧室。在试验装置上，调压器安装在燃油管路上，针状隔离阀和防火帽也安装在氢气注射器之前。主要设计问题与注射器的设计有关，因此为了获得良好的喷射优化氢流动特性和获得必要的动态响应是必须的。传统的直接喷射发动机，喷油嘴的设计对发动机运转至关重要的，因为它控制氢在燃烧室及混合空气扩散进入的压力。2.2.1注射系统设计 在市场上至今还没有可用的氢注射器，为此发展试验中使用的氢注射器。假定氢为理想气体并且适用基本可压缩的流流理论，可以建立从储油罐到喷油器到喷管出口的流动并且获得的初期设计指导方针。因为直喷式发动机燃油喷射在40度左右曲柄角出现上止点，汽缸压力对注射器运行可能会有所变动,从约3兆帕开始注射到约8兆帕的峰值压力，很快到达上止点。 有趣的是，由于氢气供给和气缸进气压力之间的压力差，随着气缸压力的变化燃料在注射器流动也发生变化。这说明了燃油喷射率属性不同于所了解的传统发动机，而且应该考虑到注射系统的设计。这些特点意味着燃烧过程发展可能影响燃油喷射过程，并且影响燃油喷射时间，发动机的运行和性能可能会高于传统发动机。另一个事实值得注意的是注射期间增加的缸空气密度、粘度会影响燃料流过喷嘴出口，并且燃气燃气在燃烧室3内混合。 由于这些特殊的运行特点，因为大范围的背压，必须检查喷嘴流动状态，喷油系统的设计必须考虑到注射期间由于缸内气体压力变化的影响。2.2.2注射器的设计 为了达到所需适当的快速响应时间，氢注射器和快速自执行器是必需的。喷油器因此被设计为液压驱动的，并且通过一种三方速动电磁阀控制。在外面，电动液压泵设备被用来创建必需的驱动压力。图2对喷油器模拟实验装置发展进行了阐述。喷油器主体使用构筑钢制作而指针和喷嘴使用回火钢制作。因为氢气对润滑油有洗涤效应，注入器在执行器柱塞上有铁氟龙层坚固地附着在喷嘴针阀上。氢在注射器材料上另一个不好的影响就是氢脆化，要求高回火钢。这种效果尤其在喷嘴针阀的尖端，因为它大约300C下工作而且流速很高。图2.氢燃料喷射器关于腈产品O形环的使用，是不可能推广的，尽管氢能使橡胶管道破裂。因此,使用特殊的O形环的材料,如可以考虑采用氟橡胶。同时低惯性材料比如钛金属可以被用来取得更好的注射器动态响应。2.2.3 注射系统实验装置测试燃料计量和喷油嘴的动态特性跟背压对流量的影响一样，如图3显示一个成熟的注射器试验台。这个试验台包括一个恒容室，它能支撑气体压力上升到90 bar，和一个泄气阀、一个热电偶、一套数字压力计和喷油器的挂载点。 图3.注射器试验台2.3 进气口加热系统由于氢具有较高的自燃温度、入口空气加热可能需要确保燃料自燃。一个3.5 kW进气口电加热系统，能够提高进口空气温度到120 C。在入口系统使用PID控制器控制入口空气温度。空气加热控制系统保证正确的压缩温度，为燃料达到自动点火温度，并调查其影响发动机的性能的变量。最小的空气进口温度为80 C,因为发动机压缩比局限于17:1，并且这一温度被用在这篇文章里。2.4 数据采集和发动机控制系统 发动机控制系统是基于一个特殊用途微处理控制器和专门发展的软件上的，这允许不同发动机操作参数变化，例如燃油喷射的持续时间。发动机速度和活塞位置通过凸轮轴监测编码器和内部开发的软件记录和分析样品数据。 实时数据采集系统的发展允许监控发动机变量，同时在线和离线分析。软件允许同时监控并且获得以下的变量：发动机制动负荷压力、液压缸压力、荷载压力、氢气流量、柴油流量、空气质量流量、等值比、进气温度、排气温度、发动机速度和发动机的热效率。测量汽缸压力使用纤维光学传感器，气流使用博世HFM5测定热膜质量流量计(精度比3%)、测量氢流量使用精度GFM-1107(精确度1.5%)。氧气(“L型”)传感器是改进的博世LSM11监控排气氧浓度。3实验结果一系列的测试引导研究发动机操作参数对发动机燃烧过程和发动机的性能的影响。该试验是在一个固定转速、不同的过量空气系数和时间、持续的氢注射下实施的。3.1 氢喷射自动点火基于Tsujimural的工作。图3、图4阐明了汽缸负载温度依赖氢喷气机自动点火温度延迟。可以看出温度低于约1100K，自动点火延迟迅速增加，变得比最高温度更大。自动点火延迟是依赖于周围的气体温度并且温度依赖阿伦尼斯功能15。结果表明：温度低于1100k，自动着火延迟期比普通柴油燃料长，但如果汽缸的控制温度更近了1100k时延迟较短。图形说明为了达到可接受的点火延迟氢气燃料发动机需要加热进气。传统的柴油燃料，着火延迟期曲线会转移到左边，因为较低自燃点火温度和可接受的着火延迟期。图4.氢气燃料点火延迟3.2 基本发动机性能随着氢直喷模式进口空气加热系统、发动机运转稳定完成。尽管降低的空气质量流过发动机,因进口空气加热、增加了超过14%最高功率实现氢燃料发动机比传统的柴油操作。这是由于每标准kg的氢高热值需要的氧气。图5显示为氢气燃料模式满载下一个周期内气缸内气体压力变化(图由动机监控系统产生)。快速燃烧流程可以看到压力迅速的上升，获得很高峰值压力超过传统的柴油燃烧运作模式的30%,那是因为具有较高的发动机功率输出。表2所示为不同的操作模式发动机功率。用这一发动机实现了42.8%热损失与使用柴油27.9%相比，发动机功率在氢直接注射(DI)模式显著增高。从图表可以看出：这主要由于冷却系统低损失，它包含发动机摩擦损失、热传递损失。但是在氢气燃料模式下提高发动机功率将使机械损失降低。因气体燃料的性能，期望在氢燃料发动机内减少缸内热传递损失，使燃气混合程度加强，从而降低气体温度最大值，并且这种燃料惯性低，减少撞击缸壁所带来的影响。表中还显示了从使用氢燃料注入进气口的发动机试验所得结果,不论是在双燃料使用柴油直喷和均匀负荷压缩点火(HCCI)模式。从后者实验得到的实验结果以前被作者报道4过。跟在DI模式下一样，在HCCI模式下需要加热进口空气以确保点火,在某些程度上循环变化是熟练的，由于对点火提前角不好控制。然而,在一定的负荷范围内可以运行。为进一步了解细节,读者可参考文献4。在双燃料模式,不需要进口空气因为柴油燃料保证点火。表中的数据是运作20%柴油燃料和80%的氢(一个发动机的基础上)。使用双燃料和HCCI模式与传统的柴油机相比可以发现改进的性能，接近其他作者的报道。柴油DI双燃料（柴油+氢气）氢HCCI氢DI轴输出功率（%）27.933.948.042.8冷却系统（%）17.3排放气体（%）35.334.931.639.9轴功率（W）90008950707610,280图2.发动机能量平衡试验结果图5. 氢气直喷模式气缸发动机循环气体压力3.3 氮氧化合物排放的形成直接注射氢气燃料发动机氮氧化物的排放预计将低于传统的柴油燃料模式发动机，这是由于氢气具有更高的扩散系数和低惯性。氢气与柴油在注射后提高燃料与空气混合，降低在燃烧室中最高温度。在试验过程中氮氧化物排放测定是使用精确度5%的testo XL 350气体分析仪，测量值根据ISO 8178。图6显示在氢燃料与传统柴油模式发动机下测量不同发动机负荷时氮氧化物的排放量。正如预期的那样，氮氧化物是在低负荷下形成。随着负荷增加氮氧化物明显减少，可以看到在全负荷范围氢燃料发动机氮氧化物的排放量明显优势， NOx的排放大约比柴油燃料低20%。在氢燃料模式下由于燃料燃烧率高最高气体压力较高，这是不利于NOx的形成。这表明在氢燃料模式下的最高燃气温度较低，由于增强了燃料和空气的混合和在燃烧室内更多稳定条件。高温区域例如那些发生在传统柴油机燃油喷射外区域减少。这也支持上述减少缸内传热损失。图6. 测量氢燃料和柴油操作氮氧化物的排放量4.总结本文阐述了一种直喷氢柴油实验测试装置的发展。与传统柴油发动机相比使用氢直喷柴油发动机得到一个更高的功率，最大功率大约高14%。氢燃料发动机使用进气加热以确保满意燃烧，可测得缸内最高压力增加。当使用氢与柴油燃料对照时发现一个重要的优势那就是降低氮氧化物排放和形成，并且证明后者主要因为减少传热和发动机摩擦损失。直接注射氢与使用注射入口HCCI模式相比可更好地控制发动机运转。考虑到必须控制注射时间和持续时间，必须控制大量的变量影响因素比如增加的压力和燃烧的压力的比率。直喷模式提供了控制的可能性而在HCCI运行模式下限制过多的机械载荷时这几乎不受控制的。进一步的研究是需要开发一个可靠的氢喷油器，它可以更精确地控制燃料注射。此外，如果为这种类型的发动机发展优化开发燃烧室设计，同时考虑了氢燃料性能，可获得更好的结果。目前为研究氢发动机性能和优化的实验室装置提供一个有用的研究工具，并且这些项目目前正在纽卡斯尔大学进行进一步研究。参考文献：1 White CM, Steeper RR, Lutz AE. The hydrogen-fueled internal combustion engine: a technical review. Int J Hydrogen Energy 2006;31:1292305.2 Peschka W. Hydrogen: the future cryofuel in internal combustion engines. Int J Hydrogen Energy 1998;23:2743.3 Tsujimura T, Mikami S, Achicha N. A study of direct injection diesel engine fueled with hydrogen. SAE paper 2003-01-0761;2003.4 Gomes Antunes JM, Mikalsen R, Roskilly AP. An investigation of hydrogen fuelled HCCI engine performance and operation.Int J Hydrogen Energy 2008;33:58238.5 Szwaja S, Grab-Rogalinski K. Hydrogen combustion in a compression ignition diesel engine. Int J Hydrogen Energy 2009;34(10):441321.6 Noda T, Foster DE. A numerical study to control combustion duration of hydrogen-fueled HCCI by using multi-zone chemical kinetics simulation. SAE paper 2001-01-0250; 2001.7 Liu C, Karim GA. A simulation of the combustion of hydrogen in HCCI engines using a 3D model with detailed chemical kinetics. Int J Hydrogen Energy 2008;33:386375.8 Edwin Geo V, Nagarajan G, Nagalingam B. Studies on dual fuel operation of rubber seed oil and its bio-diesel with hydrogen as the inducted fuel. Int J Hydrogen Energy 2008;33:635767.9 Bose PK, Maji D. An experimental investigation on engine performance and emissions of a single cylinder diesel engine using hydrogen as inducted fuel and diesel as injected fuel with exhaust gas recirculation. Int J Hydrogen Energy 2009; 34(11):484754.10 Masood M, I