某輕型貨車鼓式制動器設(shè)計(jì)含三維CATIA模型
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氫氣柴油量變化對雙燃料柴油機(jī)制動熱效率的影響
BiplabK.Debnath,UjjwalK.Saha,Niranjan Sahoo
Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology Guwahati-781039, Assam, Indi
摘要：二十一世紀(jì)氫氣很可能會作為一種氣體燃料而興起，因?yàn)樗拳h(huán)保，而且具有巨大的能源潛力。在本文中，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行采用雙燃料模式壓縮點(diǎn)火柴油機(jī)，分別將柴油和氫氣作為實(shí)驗(yàn)液體和主要?dú)怏w燃料。本研究的目的是找出使其達(dá)到最大制動熱效率的特定柴油和氫的不同組合分別在五種加載條件下（20%，40%，60%，80%和100% 滿負(fù)荷）對柴油的最大替代率。同時，在制動燃料消耗，制動能量消耗、體積效率和排氣溫度的影響作用下，也觀察到在五種不同負(fù)荷的液體氣體燃料組合。其次，進(jìn)行以第二定律優(yōu)化運(yùn)行雙燃料發(fā)動機(jī)，能夠看出柴油發(fā)動機(jī)在柴油氫氣雙燃料模式中，如果柴油氫氣比例保持在40:60，該發(fā)動機(jī)可以高效運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)，柴油替代率，氫氣，雙燃料，效率，第二定律
1．簡介
傳統(tǒng)化石燃料的使用已經(jīng)達(dá)到了一個危機(jī)點(diǎn)，對此有很多原因，如不可再生能源是有限儲量的和化石燃料對環(huán)境造成了損害[1]。因此，世界各地的研究人員正在探索各種選項(xiàng)為了找到合適的替代品來代替化石燃料，無論是部分或完全代替[2]。已經(jīng)用于替代石油基燃料的替代燃料包括蔬菜油、醇、液化石油氣（LPG），液化天然氣（LNG）、壓縮天然氣（CNG）、生物氣、煤氣、氫氣等，在這種情況下，氫氣（H2）作為非石炭、無毒的氣體燃料，已引起人們的極大興趣和潛力巨大。氫氣是一種極有可能的替代燃料，可以來自各種自然資源。其他包括：煤，油頁巖和鈾或可再生能源的基礎(chǔ)上太陽能。氫氣可以從電解水和煤的氣化陽離子商業(yè)形成；水和太陽也能電解化學(xué)熱分解，雖然仍處于發(fā)育階段[3]。點(diǎn)燃?xì)錃馑璧哪芰渴欠浅５偷模虼怂氖褂迷诨鸹c(diǎn)火（硅）發(fā)動機(jī)是不合適的。再次，在壓縮點(diǎn)火（CI）引擎，將不會自動點(diǎn)燃由于其自燃溫度高（858k）。因此，“雙燃料”模式出現(xiàn)的最佳方式是利用氫氣在內(nèi)燃機(jī)[4]。雙燃料環(huán)境可以通過最初使用少量的柴油（作為先導(dǎo)燃料）來啟動燃燒，然后供給氫氣（作為主要燃料），以提供剩余的能量來運(yùn)行周期。關(guān)于電源輸出，氫提高了混合的能量密度，在稀薄的條件下，通過增加氫碳比在雙燃料運(yùn)行，從而提高扭矩在寬的開節(jié)氣門條件[5]。氫氣可通過滲碳的發(fā)動機(jī)提供，歧管或進(jìn)氣道噴射或缸內(nèi)噴射[6,7]。然而，氫氣在進(jìn)氣歧管或端口注入需要小迪陽離子在發(fā)動機(jī)和提供更好的輸出功率超過增碳作用[8–10]。易等人的實(shí)驗(yàn)作品[11]建立了進(jìn)氣道噴射，提供比缸內(nèi)噴射不同當(dāng)量比更高的效率。
瓦德和幀計(jì)算出氫氣柴油雙燃料模式制動熱效率（ηbth）主要是依賴于氫氣的加入量。氫氣的量越大，制動熱效率的值越高。已經(jīng)從氫氣柴油雙燃料模式看出，90%的濃縮氫比在70%負(fù)荷給出高30%的效率，但由于爆震問題不能完全超出負(fù)載范圍之外[3]。然而，發(fā)現(xiàn)制動熱效率下降時，氫氣的量是小于或等于5%。在他們的分析中，一個極其稀薄的氫氣空氣混合物的限制火焰?zhèn)鞑ニ俣雀欤瑥亩档蜌錃馊紵蔥12]。然而，氫氣柴油雙燃料模式實(shí)驗(yàn)工作完成后，除了上面提到的，并不能證明這種下降制動熱效率與氫氣有關(guān)。根據(jù)Shudo等人，氫燃燒會導(dǎo)致燃燒室壁的冷卻損失比碳?xì)浠衔锶紵?，因?yàn)樗娜紵俣群痛阆ň嚯x都較短。由王和張的研究表明，引入氫進(jìn)入柴油發(fā)動機(jī)會導(dǎo)致能量釋放率增加的早期階段的燃燒，這都增加了指示效率[15]。這也是降低排氣溫度的原因。據(jù)他們說，在50%、75%和100%的負(fù)載中提供固定的氫氣供應(yīng)量，氫氣取代率為13.4%，10.1%和8.4%分別與高能量的擴(kuò)散速度和高的能量釋放。
正常和大量的廢氣再循環(huán)（EGR）實(shí)踐H2柴油雙燃料模式可以降低電力生產(chǎn)和燃料消耗[16]。增加壓縮比（鉻）的氫燃料的柴油發(fā)動機(jī)提高功率，效率，峰值壓力，峰值熱釋放率和碳氧化物的排放，但不增加排放[17]。一項(xiàng)研究表明，推進(jìn)噴射定時的噴射定時變化，雖然提供了有利的減排，但使發(fā)動機(jī)的運(yùn)作效率更低和不穩(wěn)定[18]。Sahoo等人對合成氣柴油雙燃料模式改為H2和一氧化碳的實(shí)驗(yàn)研究：在20%、40%、60%共比100:0，80%和100%滿負(fù)荷在氫最大可能供應(yīng)直到敲門[19]。這項(xiàng)研究表明，在80%的負(fù)載，在最大72.3%柴油置換率下發(fā)動機(jī)提供了最大的19.75%制動熱效率。一些研究人員[20]研究了在每一個負(fù)載的柴油數(shù)量的變化，以提高制動功率（英國石油公司）。進(jìn)氣歧管中氫氣供給量的增加會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的空氣流量減少。因此，發(fā)動機(jī)的容積效率（η），ηBTH減少。因此，有研究和了解發(fā)動機(jī)性能的變化，無論是氫氣和柴油供應(yīng)，同時保持在每一個負(fù)載條件下恒定的壓力。
鑒于此，本研究的目的是在五個相應(yīng)負(fù)載條件下的通過改變?nèi)剂希ㄔ圏c(diǎn)和初級）的數(shù)量確定氫氣柴油最大的容積效率和保持恒定的速度和BP。一些柴油和氫氣的重要物理和熱力學(xué)性能示于表1。選擇負(fù)載條件20%、40%、60%、80%和100%的滿負(fù)荷。由Sahoo等人報(bào)道[19]，在上述荷載雙燃料運(yùn)行期間最大的柴油替代率分別為26%，42%，58%，72%，和44%。其他性能參數(shù)的研究包括燃油消耗（BSFC），制動具體的能源消耗（BSEC），容積效率（η）和排氣溫度（EGT）。為了認(rèn)可實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，通過二次法律分析，以提供計(jì)算可用的燃料，冷卻水，廢氣，可用性破壞和火用效率的直方圖。以這種方式，目前的實(shí)驗(yàn)和分析研究，在每一個負(fù)載的恒功率，將以最佳的效率建立優(yōu)化的氫氣組合物的數(shù)量。
表1：氫氣和柴油特性[19]
性能
柴油機(jī)
氫氣
化學(xué)成分
CH
H
密度（kg/m）
850
0.085
熱值 (MJ/kg)
42
119.81
十六烷值
45-55
_
自動點(diǎn)火溫度（K）
553
858
理論空燃比
14.92
34.3
能量密度 (MJ/Nm)
2.82
2.87
2．實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)是一個安裝在印度高哈蒂技術(shù)學(xué)院能源中心基洛斯卡TV1 CI柴油發(fā)動機(jī)上進(jìn)行（IIT）的。圖1是發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺的示意圖。原機(jī)的規(guī)格見表2。發(fā)動機(jī)負(fù)荷是由渦流式測功機(jī)進(jìn)行測試。液體燃料從燃料箱的燃料泵和噴油器供給發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)由三孔的直徑0.3毫米的噴嘴噴霧角度為120度。U型管式壓力計(jì)用于流量的水頭差的發(fā)動機(jī)，同時允許空氣通過孔板流量計(jì)。發(fā)動機(jī)缸體和氣缸蓋被一個冷卻的外套所包圍，通過該冷卻夾套冷卻發(fā)動機(jī)。為了測量廢氣的比熱，還提供了一種管換熱器的反流管的量熱器。K型熱電偶進(jìn)行溫度測量，安裝在相應(yīng)位置[21]。
表2：柴油機(jī)規(guī)范[21]
參數(shù)
規(guī)格
發(fā)動機(jī)型號
基爾洛斯卡爾TV1
細(xì)節(jié)
單缸，四沖程柴油，水冷卻，壓縮點(diǎn)火
孔與沖程
87.5×110mm
壓縮比
17.5:1
額定功率
5.2kW(7BHP)1500rpm
氣箱
與孔板流量計(jì)和壓力計(jì)
測功機(jī)
電渦流加載單元，0–16kg
燃油噴射口
205條23度 BTDC靜態(tài)
量熱器類型
管道布置
浮子流量計(jì)
水流量測量
圖1：裝置示意圖 圖2：可調(diào)杠桿臂布置圖
3．實(shí)驗(yàn)步驟
表3是在不同載荷下的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)矩陣。首先，該引擎可以在穩(wěn)態(tài)柴油變化負(fù)荷下運(yùn)行幾分鐘。發(fā)動機(jī)和熱量計(jì)的冷卻水供應(yīng)設(shè)置為每小時270和80升，根據(jù)發(fā)動機(jī)供應(yīng)商的指示。此后，負(fù)荷逐漸增加至3.2公斤（20%負(fù)載），發(fā)動機(jī)被允許運(yùn)行，直到達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，然后，發(fā)動機(jī)冷卻水的入口和出口溫度，量熱器冷卻水和廢氣測量。水頭差，柴油流量和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速也被記錄下來?？烧{(diào)節(jié)的杠桿臂然后轉(zhuǎn)動壓燃油切斷閥，這將降低燃料供給速度。
當(dāng)所有的燃料替換率的數(shù)據(jù)被記錄下來，發(fā)動機(jī)被恢復(fù)到它的柴油模式。增加由渦流測功機(jī)的負(fù)載，并在該負(fù)載的所有柴油置換率的測量程序重復(fù)。最大燃料替代率（見表3）五加載條件（20%，40%，60%，80%和100%滿負(fù)荷）是從工作由該等人報(bào)道[19]。最后，氫氣供應(yīng)完全停止，發(fā)動機(jī)被允許在“無負(fù)載條件”運(yùn)行之前完成關(guān)閉。
表3：實(shí)驗(yàn)矩陣
載荷
柴油置換比
發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)
20%
10,20,26
速度
40%
10,20,30,40,42
1500±50RPM
60%
10,20,30,40,50,58
噴油提前角
80%
10,20,30,40,50,60,70,72
23 BTDC
100%
10,20,30,40,44
4．分析過程
在每個柴油替代率采集的數(shù)據(jù)集和各負(fù)荷下，根據(jù)下列方程分別計(jì)算相關(guān)參數(shù)。
柴油替代率（Z）：
剎車電源可以寫為：
柴油模式的制動熱效率測量
雙燃料模式的制動熱效率
雙燃料模式的制動特定燃料消耗量計(jì)算
為雙燃料模式的制動特定的能源消耗
可以計(jì)算出的體積效率
5．熱力學(xué)分析
利用熱力學(xué)定律分析了氫柴油雙燃料試驗(yàn)的結(jié)果。它提供了顯著的信息，在發(fā)動機(jī)的不同部分提供適當(dāng)分布的燃料[24]。此外，利用或破壞的能量被量化的可用性分析。最后，這種分析給出了精確的氫和柴油組合物，應(yīng)保持提取的最大能量量從燃料供給的能量。因此，“第一定律（能量）”以及“第二定律（火用）”的發(fā)動機(jī)的研究，在下面的章節(jié)中描述正確的方程。
5.1能量分析
根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在一個系統(tǒng)中所提供的能量是守恒的，在它的不同的過程和組成部分[25]。在內(nèi)燃機(jī)中，燃料供給（Q）在不同的過程中被轉(zhuǎn)移，即軸功率（P），在冷卻水的能量（Q），廢氣中的能量（Q）和無數(shù)的能量損失（Q）在摩擦形式的輻射，熱傳遞到周圍的環(huán)境，操作的輔助設(shè)備等等，這些不同形式的能量是根據(jù)下列表達(dá)式計(jì)算[26]。
所提供的燃料能量，即能量輸入可以計(jì)算如下：
能量轉(zhuǎn)移到軸可以測量
將能量轉(zhuǎn)移到冷卻水中，可以計(jì)算為
能量流通過廢氣
對于一個更精確的熱力學(xué)分析，計(jì)算出的排氣氣體的特定的熱量從排氣氣體量熱儀的能量平衡。最后，從能量平衡，數(shù)不清的能量損失
5.2火用分析
可用性可以被描述為所提供的能量的能力來執(zhí)行一個有用的量的工作[27]。在發(fā)動機(jī)燃料的化學(xué)有效性（A）提供轉(zhuǎn)換成不同類型的分析，即軸的可用性，冷卻水的可用性、廢氣的可用性和破壞性在摩擦，形式的輻射，熱傳遞到周圍的環(huán)境，操作輔助設(shè)備，等這些形式的能量是根據(jù)以下的解析表達(dá)式，如在文獻(xiàn)[28]計(jì)算。
所提供的燃料的化學(xué)可用性
被記錄為冷卻水的可用性可以被測量的可用性轉(zhuǎn)移到軸的可用性
廢氣的可用性可以計(jì)算為
從廢氣量熱儀的能量平衡和柴油燃料完全燃燒的產(chǎn)品中估計(jì)出廢氣常數(shù)
無數(shù)的可用性破壞取決于可用性的平衡
因此，火用效率（η）可以估計(jì)為
6．結(jié)果與討論
本文的研究結(jié)果和討論部分，分為兩節(jié)，即，性能分析和二次法律分析。性能分析討論制動熱效率、燃油消耗率、組織、效率，EGT和柴油雙燃料模式最大的制動熱效率的比較。后來，第二定律分析表明燃料的供應(yīng)量，冷卻水和廢氣，破壞性和火用效率
6.1性能分析
H2的柴油量的變化對ηBTH對五加載條件的影響如圖3所示。除了20%的負(fù)荷，其他所有負(fù)載條件下，H2的量增加ηBTH增加，但只是達(dá)到一定的極限下。這表明，在較低的負(fù)載區(qū)域，氫氣不能燃燒，柴油結(jié)果在貧燃燒效率里。然而，這種情況隨著負(fù)載的增加而提高。對ηBTH最大值約在負(fù)荷條件20%和80%的柴油替代率之間包括50%和60%。隨著ηBTH增加也是生產(chǎn)燃油消耗率遇到的負(fù)荷和H2取代率的增加（除了20%負(fù)載）如圖4的例子。這是因?yàn)殡S著氫氣的增加，增加的能量供給量增加到汽缸的增加。因此，相同的血壓所需的燃料的總量與緩解能源供應(yīng)有關(guān)。然而，某一點(diǎn)的H2置換后，發(fā)動機(jī)不能更有效地運(yùn)行，從而減少ηBTH。這是因?yàn)樵跉飧變?nèi)的空氣（或更精確的氧）的可訪問性引起的體積效率的大幅度降低，這可以從圖5清楚，在柴油替代負(fù)荷百分比增加BSEC的減少。由于H2進(jìn)行單位質(zhì)量比柴油高能量（見表1），在每一個載荷代替柴油相同功率H2需要量較低。然而，在20%的負(fù)載條件下，傳統(tǒng)的差的燃燒效率意味著稍微更多的氫氣是必需的，以實(shí)現(xiàn)相同的功率為三柴油置換率研究。
圖3：制動熱效率隨柴油置換的變化
圖4：制動比燃油消耗隨柴油置換的變化
圖5：容積效率隨柴油置換的變化
6.2第二定律分析
實(shí)驗(yàn)觀察在目前的工作中的結(jié)果是通過公式（14）（20）來處理實(shí)現(xiàn)第二規(guī)律分析，提出了圖6—8作為柴油的替代功能。隨著負(fù)載的增加，發(fā)動機(jī)需要更多的燃料燃燒，并實(shí)現(xiàn)更高的功率。然而，隨著H2量的增加和在試點(diǎn)柴油供應(yīng)的減少，燃料的可用性降低，這是因?yàn)樵贖2的增加，發(fā)動機(jī)獲得更多的燃料（即H2）具有能量密度高、可彌補(bǔ)需要在特定的負(fù)載同BP運(yùn)行發(fā)動機(jī)的能量（圖6）。雖然BP保持每個加載條件恒定的柴油替代燃料的可用性研究，減少與H2置換的結(jié)果在軸的可用性百分比增加，從10清晰。
柴油置換的冷卻水供應(yīng)百分比如圖9所示。雖然有輕微的增加，在可用的工作中獲得的冷卻水與負(fù)載的增加，氫氣的增加，再平衡50%柴油置換。這是因?yàn)樵陔p燃料系統(tǒng)中的氫氣的增加，降低了在燃燒過程中，由于其更好的利用在排氣冷卻水的能量被浪費(fèi)的機(jī)會。然而，超過50%的柴油置換，在冷卻水增加了可用的工作由于能量流通過冷卻水。
圖6：燃料可用性:隨柴油替代的變化
圖7：軸可用性隨柴油置換的變化
圖8：可用能效率隨柴油置換的變化
圖9：冷卻水供應(yīng)隨柴油置換的變化
7．不確定性分析
發(fā)動機(jī)性能和可用性的各種參數(shù)的不確定性分析，通過使用擾動技術(shù)[33]。計(jì)算各獨(dú)立參數(shù)的不確定性是：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)負(fù)荷（1.1%）（1.5%）、液體流量、氣體流量（2%）（1.3%），水的流速（1.2%）、低熱值的液態(tài)和氣態(tài)燃料（1%）和溫度（1.6%）。使用這些值，計(jì)算出的發(fā)動機(jī)性能和可用性參數(shù)，預(yù)計(jì)在±4.3%以內(nèi)。
8．結(jié)論
在這項(xiàng)調(diào)查中，一個實(shí)驗(yàn)研究和第二定律分析的氫氣柴油雙燃料柴油發(fā)動機(jī)。對五種不同負(fù)荷的柴油機(jī)進(jìn)行了各種柴油置換試驗(yàn)，獲得最佳性能點(diǎn)，然后進(jìn)行二次法分析，建立了研究結(jié)果。這項(xiàng)研究的結(jié)果可以概括如下：
1．增加的負(fù)載和氫氣取代率ηBTH增加的雙燃料發(fā)動機(jī)上有一個特定的點(diǎn)。對于80%的負(fù)載，這取決于發(fā)生了多達(dá)60%柴油替代。ηBTH的下降超出這一范圍是由于在η體積減；
2．在油耗減少，在H2供應(yīng)增加下，組織各負(fù)荷結(jié)果有恒定的BP。這是因?yàn)闅錃獗炔裼途哂休^高的能量；
3．在最高負(fù)荷增加，在幾乎相同的燃料消耗下有嚴(yán)重導(dǎo)致EGT高燃燒率和較低的效率；
4．對最大效率的比較表明，在氫氣供應(yīng)的無休止地增加發(fā)動機(jī)的效率不會提高。為了從發(fā)動機(jī)中獲得最有效的性能，它必須在在雙燃料模式40%到60%柴油置換的負(fù)載條件下運(yùn)行；
5．燃料供應(yīng)量隨負(fù)荷的增加而增加，以應(yīng)對英國石油公司的上漲。然而，應(yīng)對這一事實(shí)，供應(yīng)高能量氫氣的增加，燃料的可用性降低。上述事實(shí)再次增加了軸作為燃料輸入的可用性百分比，雖然保持固定在每一個負(fù)載；
6．在低到中范圍的柴油置換，增加氫氣供應(yīng)的，補(bǔ)償增加在冷卻水的可用性與負(fù)載也增加。在高負(fù)載范圍內(nèi)這一區(qū)間的排氣火用流減少，使燃燒效率和效率更高；
7．氫氣柴油雙燃料系統(tǒng)運(yùn)行更高效、并提供更好的性能，當(dāng)氫氣柴油基本保持在40%，50%，60%和40% 到100%的負(fù)載范圍內(nèi)BP保持恒定。然而，由于發(fā)動機(jī)的表現(xiàn)差，雙燃料系統(tǒng)運(yùn)行對20%負(fù)載是不優(yōu)選的。
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