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重型柴油机进气充氢的浓度评价

Emad Monemian, Alasdair Cairns, Mark Gilmore, David Newman, Keith Scott

摘要

对二氧化碳排放和全球变暖的担忧继续迫使运输部门加强减少重型柴油车辆的燃料消耗，作为二氧化碳的主要贡献者。这种动力总成平台看起来仍将是重型车辆的主要来源未来几十年的推进力。目前报道的工作涉及实验评估用氢燃料部分取代柴油的潜力，这种情况仍在继续作为潜在的长期替代燃料解决方案吸引注意力，无论是已经在生产还是进气可持续性的方法。采用的单缸发动机容量为2.0升，具有共轨柴油燃料喷射和当前生产技术的典型EGR。该工作涉及在通常访问的发动机负载下将氢气运输到发动机进气系统中，在现实的驾驶条件下。最高的实际氢取代比率在6bar IMEPn时效率高达4.6％，在12bar IMEPn时效率高达2.4％。在6bar IMEPn中，相应的CO2，CO和烟灰分别减少了58％，83％和58％。在12bar IMEPn中减少这些排放，分别为27％，45％和71％，和常规柴油机的标准对比。在这种条件下，在主柴油之前使用预喷射，柴油注入对于控制热释放和压力上升速率至关重要。

关键词

氢气，燃气蒸发，柴油，重型，二氧化碳

1. 介绍

巴黎协议于2015年12月达成：设定保持地球增长的目标，平均温度低于前工业记录的2°C以上。因此，承诺挑战气候变化已进入关键阶段，作为具有约束力和普遍性的协议，特别是减少温室气体（GHG）CO2。 在欧盟内部，废弃作为主要贡献者二氧化碳排放量（约20％），控制废气排放在运输部门迫使制造商采用此外，重点是重型（HD）车辆，这占二氧化碳排放量的四分之一部门。

相关作者：

Emad Monemian，诺丁汉大学，NG7 2RD

电子邮件：emad.monemian@nottingham.ac.uk

尽管热效率相对较高，重型柴油发动机的主要缺点是发动机排出的烟灰和NOx排放很多。柴油机微粒过滤器（DPF）已经发展到能抑制尾气烟尘排放。但是，除了成本高，DPF还需要定期燃料 - 空气混合物的富集增加排气温度，目的是去除从过滤器累积的烟灰（再生）。这导致额外的燃料消耗。 而且，与乘用车相比车辆，重型发动机从电气化和混合动力等措施受益很少。在这方面，由于重型柴油机的高负荷以及沿途所需能源，使得代为可替换的低碳燃料变得非常具有吸引力。

许多研究人员已经研究过减少这种柴油发动机的烟灰。一种有效的方法可以归类为预混低温燃烧（LTC）。 利用长时间这些燃烧模式中的点火延迟，允许燃烧前充分混合开始导致在含氧量搞的地方减少并抑制在燃烧室内烟灰的形成。然而，由于燃烧不完全，较低温度燃烧会导致更高的CO和HC排放。这个问题可以通过用氢气来替换一部分的柴油。碳含量的低量是在IC发动机中燃烧氢的好处关键，导致缺乏CO，CO2，uHC和PM尾气排放。 这种说法忽略了任何碳通过润滑剂进入燃烧室，但仍有显着的好处。一个关键的障碍是氢气的供应和储存。

大约95％的氢气来自甲烷，通过一个称为#39;蒸汽的过程“改良”不会产生二氧化碳，总体效益每当量柴油。另一种方法涉及可再生能源的电解，即零碳路线，但成本很高。或者，氢通过部分液体的车载蒸汽重整碳氢化合物燃料是一条新的获取途径，通过回收废气排出约5％的热量，来提高整体系统的效率。

由于相关的安全问题和氢的物理性质，氢气存储是发展的主要领域之一。虽然有截然不同的建议使用结晶材料储氢，氢化物用于储存大量的氢气。2008年，Robin Gremaud发现一个使用合金的氢气罐的重量比电池少60％包。此外，低温罐也是试图改善兼容性，费用和容量。一个例子就是宝马此前在这方面努力地给一个7系的迷你车队采用低温罐，来证明提高的行驶范围。车辆的氢分布站需要非凡的基础设施和巨大的投资。截至2017年，共有35名美国公共的氢气站，其中有32个位于加州。

几家汽车制造商，包括宝马、福特和马自达试图利用氢气作为IC发动机的替代燃料。 宝马由氢ICE驱动的氢7系列是由宝马在2005年至2007年间开发。这个论述者采用了同样的6L V12发动机汽油产生模型，但允许以双燃料操作。总的来说，燃烧系统与之相匹配的基准涡轮增压柴油发动机的效率值最高为42％。

在其他地方，福特也开发了第一辆北美完全由氢气驱动燃料IC引擎（H2ICE）的车。基于2升带有PFI系统的H2ICE的Zetec被集成到一个P2000客车。二氧化碳排放量减少到汽油箱的0.4％，地铁循环燃油经济性提高了18％。在后来的工作，2010年实现了第二阶段的严格要求重型排放标准。福特重新设计了一个V10 Triton发动机，目的是运行使用氢气的E-450总线。在此之后，福特福克斯FCV被开发作为替代氢燃料电池车辆。这种燃料电池汽车被广泛考虑，并作出了相当大论述，但只提供了从长远来看的计划。目前燃料电池技术的高成本可以降低。因此，在介质(至少）中，IC引擎仍占主导地位。已经有许多其他方法，尝试采用IC发动机中的氢气。 Revolve UK修改了福特全顺2.2L Puma柴油发动机，以PFI的氢气注入为主汽油。作为点火源，柴油引燃喷射用于允许永久双燃料模式。最近，Alset开发了一种混合氢气 - 汽油系统，允许车辆单独或同时使用燃料。这个技术使用在阿斯顿马丁Rapide S上，这是的一辆用氢能完成纽伯格林24小时耐氢赛的车辆。

氢独特的物理特性使上述内容成为可能，这与传统燃料完全不同，在表1中。由于氢气密度非常低，即使在压缩储罐或液体中，氢气体积能量密度也比柴油的要小。因此，存储需要大量的氢气来执行必要的驾驶范围。通过一直的改进，这个事实凸显了氢气的好处。

表一 氢气与燃料的物理性质

根据表1，极大的点火极限（4-75％）使得在广泛的燃料 - 空气混合物范围内燃烧高效工作。此外，氢具有相对高的火焰燃烧速度，这可以提高效率。氢气高扩散性有助于形成均匀的燃料空气混合物。 在气体泄漏的情况下迅速分散，这也是一个有点。氢气的低点火能量、高燃烧速度使混合物柴油/氢更容易点燃，因此，减轻失火，改善性能和排放。此外，通过提高H / C比，氢在稀薄时增强混合物的能量密度。但是必须补充满载，通过一些容积效率的方法补偿，如复合助力。

与柴油相比，氢的意义在于更高的比能量（LHV），由于所需柴油的比例很大，以更具成本效益的方式被氢取代。然而，各种挑战仍然存在，包括很高的缸内压力上升率和发生率；特别是在重载下，进气系统内的提前点火和回火。高火焰氢的速度在爆震方面是有利的。然而，暴露在进气冲程的缸内热点可以作为点火源，使得提前点火和返回氢的点火能量非常低。此外，润滑剂沉积物或火花塞电极也被认为是闪回启动。

注入策略对氢气混合物的均匀性和点火分层具有相当大的影响。由于提供更高的容积效率和避免，氢直接喷射（DI）可以具有进一步的益处而不是进气道燃料喷射（PFI）格拉茨技术大学的研究人员比较了DI和PFI注入模式，结果表明，H2 DI的功率输出比通过端口注入获得的输出高约17％。

目前报道的工作一直关注双燃料对HD柴油发动机的影响，补充氢气以“熏蒸”方式引入进气道。这种方法很适合减少二氧化碳排放的两种途径; 从可再生资源中电解氢改造。

2.方法论

2.1实验装置

测试引擎是增强型HD柴油机汽缸类似于典型的大型货车（LGV）发动机。 该单位的规格是如表2和图1所示。

表二 测试引擎规格

外部增压的进气流量由油门控制。具有电动排气背压阀的高压冷却EGR允许在进气口处混合增压进气和冷却EGR稳压罐。包括具有中央直接喷射器的博世共轨的柴油喷射系统由分离的ECU控制。氢气从气瓶中取出并调节至7巴压力，然后通过OMEGAreg;质量流量控制器熏蒸到气室下游的进气管中。氢熏蒸装置的示意图如图2所示。为了保护操作员和测试设施免受氢气泄漏，在测试舱内安装了工业标准气体检测器和紧急关闭装置，可通过电磁阀驱动的气动阀快速切断氢气供应。

增压的进气与进气缓冲罐处的冷却EGR混合。为了避免在进气歧管处有任何点火危险，在进气缓冲罐（进入增压空气和冷却EGR的混合物）之后和最靠近燃烧室处添加氢气。还有一个闪回避雷器安装在氢气供应装置上。本研究仅考虑稳态条件。值得一提的是，影响测量数据准确性的最关键参数是燃料（柴油）流量。 燃料流速（COV_FFR）相对于平均循环的变化系数通过更多的氢富集而增加，因为最高COV_FFR分别在6bar和12bar IMEP下为3.10％和0.85％。 因此，柴油流量相当稳定，因此测量数据具有可接受的准确度。

2.2测量

基于18指定AFR，并且使用在19中解释的算法计算全局当量比（phi;）。基于能量输入，等式1计算氢分数比（HF）。（1）：

两个NI DAQ卡负责测量数据采集。一个是接收编码器信号（0.25 CAD分辨率），另一个用于较慢的数据测量。同时，内部数据采集程序用于实时监控和记录操作参数。 奇石乐压电传感器和放大器用于缸内压力测量。此外，两个压阻式传感器测量进气和排气压力以及用于温度测量的K型热电偶。

CA50，50％质量分数燃烧（MFB）的CAD被假定为燃烧时间。CV_IMEPn（IMEPn的变异系数）呈现了循环变化，其在500个采样循环中取平均值。 Horiba气体分析仪用于背压阀后的废气排放（NOx，HC，CO和CO2）取样。 EGR率计算为进气和排气中CO 2浓度的比率。用AVL 415SE烟度计测量烟尘排放。 使用定义的计算来计算特定的废气排放和燃烧效率（eta;c），其中湿基校正CO和NOx排放。 COV_IMEPn和平均压力上升率（PRR）分别限制在5％和20 bar / CAD。

2.3试验条件

如表3所示，这项工作选择了两个特定的操作点，均具有1200rpm的发动机转速。 第一个操作点对应于典型HD卡车（6bar IMEPn）中的25％负载，表示欧洲静止循环（ESC13）的操作点＃7。第二个工作点相当于接近ESC13第5点的50％负载（12bar IMEPn）。

表三 发动机工况

图3表示操作点（图案圆圈）放置在安装到卡车的HD发动机的操作图上的位置。 所选择的测试点被放置在通用HD发动机驱动循环的频繁停留区域中。 相应的基线校准基于在之前的工作中优化的操作条件。

3.结果

目标是通过典型的注射压力和恒定的最佳注射时间（SOI）实现最佳指示效率-ISsoot权衡。值得注意的是，在每个工作点，最高氢分数受到质量流量控制器的最大流速（100升/分钟）的限制。在下面的部分中，根据燃烧特性和废气排放，详细报告了所获得的最大氢能量分数（在A25处HF = 65％，在A50处HF = 30％）的结果。

3.1燃烧分析

最初，仅使用单次和预注射进行仅柴油测试。如图4（a）所示，预喷射能够以较低的压力上升率（PRR）降低热释放率。在氢气熏蒸期间观察到相同的现象，同时保持SOI固定（具有较低的主注射持续时间），如图4（b）所示。预喷射导致SOC增加并减少点火延迟。

在A25单喷射模式下比较H65与H0，H65具有显着更高的HRR和更短的燃烧持续时间。这显示了氢在加速燃烧过程中的一种作用。由于单次喷射导致非常高的缸内压力升高（gt; 20 bar / CAD）且HHR显着提高，因此为所有测试案例选择了预喷射策略，旨在降低燃烧噪音。

两种不同HF的缸内压力和热释放曲线如图5所示。虽然氢气添加对压力曲线没有显着影响，但由于氢气浓度较高，H65的热释放大于H40。 除了较短的燃烧持续时间外，H65还具有较高的指示效率（~6％）c.f. H40。

在A50模式下比较H30和H15，氢气分数增加导致更高的峰值缸内压力。 实际上，H30的第二阶段热释放出现了分离，如图6所示。与A25相似的趋势，即较短的燃烧持续时间和较高的指示效率（较小的规模）见于A50，因为H30高出3％ 表明效率高于H15。其原因在于，由于更快的燃烧，更少的热量传递到汽缸壁。

3.2燃烧特性

在本节中，图7中列出了两个测试操作点中的氢气熏蒸对燃烧和气缸流动特性的影响。对于A25处较稀混合气的两个负载，空燃比都相当恒定。通过增加H2分数，观察到两个测试点处的体积效率急剧下降，这是因为进气与低分子量氢但LHV较高的位移。尽管A25显示出更高的COV，但两个负载都显示出合理的COV_IMEPn（lt;5％），因此循环到循环的变化对氢分数是相当恒定的。

CA10-CA50代表预混燃烧部件，其启动并支配整个燃烧过程。这个参数在A25中非常冻结，但是随着H2分数的增加而单调下降。两个负载下的这些趋势类似于燃烧正时（CA50）。此外，两个负荷的燃烧持续时间（CA10-CA90）显示A25下降持续时间较短。报告了类似的趋势。这反映了氢燃烧的化学性质，其在低负荷下是活跃的。

3.3废气排放和性能

如图8所示，添加H2对CO2和大部分污染

资料编号：[4625]