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氫氣柴油量變化對雙燃料柴油機制動熱效率的影響
BiplabK.Debnath,UjjwalK.Saha,Niranjan Sahoo
Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology Guwahati-781039, Assam, Indi
摘要：二十一世紀氫氣很可能會作為一種氣體燃料而興起，因為它既環保，而且具有巨大的能源潛力。在本文中，實驗進行采用雙燃料模式壓縮點火柴油機，分別將柴油和氫氣作為實驗液體和主要氣體燃料。本研究的目的是找出使其達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荷的液體氣體燃料組合。其次，進行以第二定律優化運行雙燃料發動機，能夠看出柴油發動機在柴油氫氣雙燃料模式中，如果柴油氫氣比例保持在40:60，該發動機可以高效運行。
關鍵詞：柴油機，柴油替代率，氫氣，雙燃料，效率，第二定律
1．簡介
傳統化石燃料的使用已經達到了一個危機點，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上太陽能。氫氣可以從電解水和煤的氣化陽離子商業形成；水和太陽也能電解化學熱分解，雖然仍處于發育階段[3]。點燃氫氣所需的能量是非常低的，因此它的使用在火花點火（硅）發動機是不合適的。再次，在壓縮點火（CI）引擎，將不會自動點燃由于其自燃溫度高（858k）。因此，“雙燃料”模式出現的最佳方式是利用氫氣在內燃機[4]。雙燃料環境可以通過最初使用少量的柴油（作為先導燃料）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行周期。關于電源輸出，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行，從而提高扭矩在寬的開節氣門條件[5]。氫氣可通過滲碳的發動機提供，歧管或進氣道噴射或缸內噴射[6,7]。然而，氫氣在進氣歧管或端口注入需要小迪陽離子在發動機和提供更好的輸出功率超過增碳作用[8–10]。易等人的實驗作品[11]建立了進氣道噴射，提供比缸內噴射不同當量比更高的效率。
瓦德和幀計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。已經從氫氣柴油雙燃料模式看出，90%的濃縮氫比在70%負荷給出高30%的效率，但由于爆震問題不能完全超出負載范圍之外[3]。然而，發現制動熱效率下降時，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傳播速度更快，從而降低氫氣燃燒效率[12]。然而，氫氣柴油雙燃料模式實驗工作完成后，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。根據Shudo等人，氫燃燒會導致燃燒室壁的冷卻損失比碳氫化合物燃燒更高，因為它的燃燒速度和淬熄距離都較短。由王和張的研究表明，引入氫進入柴油發動機會導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。據他們說，在50%、75%和100%的負載中提供固定的氫氣供應量，氫氣取代率為13.4%，10.1%和8.4%分別與高能量的擴散速度和高的能量釋放。
正常和大量的廢氣再循環（EGR）實踐H2柴油雙燃料模式可以降低電力生產和燃料消耗[16]。增加壓縮比（鉻）的氫燃料的柴油發動機提高功率，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]。一項研究表明，推進噴射定時的噴射定時變化，雖然提供了有利的減排，但使發動機的運作效率更低和不穩定[18]。Sahoo等人對合成氣柴油雙燃料模式改為H2和一氧化碳的實驗研究：在20%、40%、60%共比100:0，80%和100%滿負荷在氫最大可能供應直到敲門[19]。這項研究表明，在80%的負載，在最大72.3%柴油置換率下發動機提供了最大的19.75%制動熱效率。一些研究人員[20]研究了在每一個負載的柴油數量的變化，以提高制動功率（英國石油公司）。進氣歧管中氫氣供給量的增加會導致發動機的空氣流量減少。因此，發動機的容積效率（η），ηBTH減少。因此，有研究和了解發動機性能的變化，無論是氫氣和柴油供應，同時保持在每一個負載條件下恒定的壓力。
鑒于此，本研究的目的是在五個相應負載條件下的通過改變燃料（試點和初級）的數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性能示于表1。選擇負載條件20%、40%、60%、80%和100%的滿負荷。由Sahoo等人報道[19]，在上述荷載雙燃料運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）。為了認可實驗結果和分析，通過二次法律分析，以提供計算可用的燃料，冷卻水，廢氣，可用性破壞和火用效率的直方圖。以這種方式，目前的實驗和分析研究，在每一個負載的恒功率，將以最佳的效率建立優化的氫氣組合物的數量。
表1：氫氣和柴油特性[19]
性能
柴油機
氫氣
化學成分
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．實驗裝置
實驗是一個安裝在印度高哈蒂技術學院能源中心基洛斯卡TV1 CI柴油發動機上進行（IIT）的。圖1是發動機試驗臺的示意圖。原機的規格見表2。發動機負荷是由渦流式測功機進行測試。液體燃料從燃料箱的燃料泵和噴油器供給發動機。發動機的燃油噴射系統由三孔的直徑0.3毫米的噴嘴噴霧角度為120度。U型管式壓力計用于流量的水頭差的發動機，同時允許空氣通過孔板流量計。發動機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動機。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型熱電偶進行溫度測量，安裝在相應位置[21]。
表2：柴油機規范[21]
參數
規格
發動機型號
基爾洛斯卡爾TV1
細節
單缸，四沖程柴油，水冷卻，壓縮點火
孔與沖程
87.5×110mm
壓縮比
17.5:1
額定功率
5.2kW(7BHP)1500rpm
氣箱
與孔板流量計和壓力計
測功機
電渦流加載單元，0–16kg
燃油噴射口
205條23度 BTDC靜態
量熱器類型
管道布置
浮子流量計
水流量測量
圖1：裝置示意圖 圖2：可調杠桿臂布置圖
3．實驗步驟
表3是在不同載荷下的設計實驗矩陣。首先，該引擎可以在穩態柴油變化負荷下運行幾分鐘。發動機和熱量計的冷卻水供應設置為每小時270和80升，根據發動機供應商的指示。此后，負荷逐漸增加至3.2公斤（20%負載），發動機被允許運行，直到達到一個穩定狀態，然后，發動機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，柴油流量和發動機轉速也被記錄下來?？烧{節的杠桿臂然后轉動壓燃油切斷閥，這將降低燃料供給速度。
當所有的燃料替換率的數據被記錄下來，發動機被恢復到它的柴油模式。增加由渦流測功機的負載，并在該負載的所有柴油置換率的測量程序重復。最大燃料替代率（見表3）五加載條件（20%，40%，60%，80%和100%滿負荷）是從工作由該等人報道[19]。最后，氫氣供應完全停止，發動機被允許在“無負載條件”運行之前完成關閉。
表3：實驗矩陣
載荷
柴油置換比
發動機運轉
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據集和各負荷下，根據下列方程分別計算相關參數。
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算
為雙燃料模式的制動特定的能源消耗
可以計算出的體積效率
5．熱力學分析
利用熱力學定律分析了氫柴油雙燃料試驗的結果。它提供了顯著的信息，在發動機的不同部分提供適當分布的燃料[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）”的發動機的研究，在下面的章節中描述正確的方程。
5.1能量分析
根據熱力學第一定律，在一個系統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]。在內燃機中，燃料供給（Q）在不同的過程中被轉移，即軸功率（P），在冷卻水的能量（Q），廢氣中的能量（Q）和無數的能量損失（Q）在摩擦形式的輻射，熱傳遞到周圍的環境，操作的輔助設備等等，這些不同形式的能量是根據下列表達式計算[26]。
所提供的燃料能量，即能量輸入可以計算如下：
能量轉移到軸可以測量
將能量轉移到冷卻水中，可以計算為
能量流通過廢氣
對于一個更精確的熱力學分析，計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行一個有用的量的工作[27]。在發動機燃料的化學有效性（A）提供轉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，熱傳遞到周圍的環境，操作輔助設備，等這些形式的能量是根據以下的解析表達式，如在文獻[28]計算。
所提供的燃料的化學可用性
被記錄為冷卻水的可用性可以被測量的可用性轉移到軸的可用性
廢氣的可用性可以計算為
從廢氣量熱儀的能量平衡和柴油燃料完全燃燒的產品中估計出廢氣常數
無數的可用性破壞取決于可用性的平衡
因此，火用效率（η）可以估計為
6．結果與討論
本文的研究結果和討論部分，分為兩節，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%的負荷，其他所有負載條件下，H2的量增加ηBTH增加，但只是達到一定的極限下。這表明，在較低的負載區域，氫氣不能燃燒，柴油結果在貧燃燒效率里。然而，這種情況隨著負載的增加而提高。對ηBTH最大值約在負荷條件20%和80%的柴油替代率之間包括50%和60%。隨著ηBTH增加也是生產燃油消耗率遇到的負荷和H2取代率的增加（除了20%負載）如圖4的例子。這是因為隨著氫氣的增加，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有關。然而，某一點的H2置換后，發動機不能更有效地運行，從而減少ηBTH。這是因為在氣缸內的空氣（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，在柴油替代負荷百分比增加BSEC的減少。由于H2進行單位質量比柴油高能量（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%的負載條件下，傳統的差的燃燒效率意味著稍微更多的氫氣是必需的，以實現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
實驗觀察在目前的工作中的結果是通過公式（14）（20）來處理實現第二規律分析，提出了圖6—8作為柴油的替代功能。隨著負載的增加，發動機需要更多的燃料燃燒，并實現更高的功率。然而，隨著H2量的增加和在試點柴油供應的減少，燃料的可用性降低，這是因為在H2的增加，發動機獲得更多的燃料（即H2）具有能量密度高、可彌補需要在特定的負載同BP運行發動機的能量（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載的增加，氫氣的增加，再平衡50%柴油置換。這是因為在雙燃料系統中的氫氣的增加，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的機會。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：冷卻水供應隨柴油置換的變化
7．不確定性分析
發動機性能和可用性的各種參數的不確定性分析，通過使用擾動技術[33]。計算各獨立參數的不確定性是：發動機轉速、發動機負荷（1.1%）（1.5%）、液體流量、氣體流量（2%）（1.3%），水的流速（1.2%）、低熱值的液態和氣態燃料（1%）和溫度（1.6%）。使用這些值，計算出的發動機性能和可用性參數，預計在±4.3%以內。
8．結論
在這項調查中，一個實驗研究和第二定律分析的氫氣柴油雙燃料柴油發動機。對五種不同負荷的柴油機進行了各種柴油置換試驗，獲得最佳性能點，然后進行二次法分析，建立了研究結果。這項研究的結果可以概括如下：
1．增加的負載和氫氣取代率ηBTH增加的雙燃料發動機上有一個特定的點。對于80%的負載，這取決于發生了多達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供應增加下，組織各負荷結果有恒定的BP。這是因為氫氣比柴油具有較高的能量；
3．在最高負荷增加，在幾乎相同的燃料消耗下有嚴重導致EGT高燃燒率和較低的效率；
4．對最大效率的比較表明，在氫氣供應的無休止地增加發動機的效率不會提高。為了從發動機中獲得最有效的性能，它必須在在雙燃料模式40%到60%柴油置換的負載條件下運行；
5．燃料供應量隨負荷的增加而增加，以應對英國石油公司的上漲。然而，應對這一事實，供應高能量氫氣的增加，燃料的可用性降低。上述事實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載；
6．在低到中范圍的柴油置換，增加氫氣供應的，補償增加在冷卻水的可用性與負載也增加。在高負載范圍內這一區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運行更高效、并提供更好的性能，當氫氣柴油基本保持在40%，50%，60%和40% 到100%的負載范圍內BP保持恒定。然而，由于發動機的表現差，雙燃料系統運行對20%負載是不優選的。
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主要內容：根據設計車型的特點，合理計算該車型制動系統制動力及制動器最大制動力矩、鼓式制動器的結構形式及選擇、鼓式制動器主要參數的計算與確定、摩擦襯塊的磨損特性計算、制動器熱容量和溫升的核算、制動力矩的計算與校核、在二維或三維設計平臺AUTO CAD、CATIA等軟件中完成鼓式制動器零件圖以及裝配圖的繪制、合理性的分析和評價等。
預期目標：掌握鼓式制動器總成的相關設計方法，以進一步扎實汽車設計基本知識；通過合理整和已有的設計，閱讀大量文獻，掌握機械設計的基本步驟和要求，以及傳統的機械制圖的步驟和規則；學會用AUTO CAD,CATIA等軟件進行基本的建模和制圖，同時提高分析問題及解決問題的能力。提出將各種設計方法互相結合,針對不同的設計內容分別應用不同的方法,以促進其設計過程方法優化。
設計的技術路線：
通過各種渠道大量搜集有關汽車鼓式制動器的資料信息，查閱國內外參考文獻，查看汽車制動器的相關理論，了解汽車鼓式制動器的基本結構，認識鼓式制動器各部分結構的功能和作用，了解現階段汽車鼓式制動器的使用狀況以及普遍存在的問題，通過對其結構的分析和各種結構優缺點的比較，以及查閱相關標準，最后確定汽車鼓式制動器傳動系的結構設計方案，對其主要結構零件進行參數選定、計算及校核，并為自己的設計方案做理論性驗證，利用制圖軟件繪制出主要零部件的設計圖紙和總裝配圖。設計方案如下：
1．鼓式制動器結構形式及選擇；
2．制動器主要參數的確定（包括制動力與制動力分配系數，同步附著系數，制動器最大制動力矩，制動強度和附著系數利用率，制動器因數和制動蹄因數，鼓式制動器的結構參數與摩擦系數）；
3．制動器的設計計算（包括制動蹄摩擦片的壓力分布規律及徑向變形規律，制動器因素計算及摩擦力矩分析計算，制動蹄片上的制動力矩，摩擦襯片的磨損特性計算，制動器的熱容量和溫升的核算，駐車制動的計算）；
4、制動器主要零件的結構設計（包括制動鼓，制動蹄，制動底板，制動蹄的支承，制動輪缸，摩擦材料，制動摩擦襯片，制動器間隙的調整方法）；
5．制動主缸和制動輪缸的設計計算（包括制動輪缸直徑與工程容積，制動輪缸活塞寬度與缸筒的壁厚，制動主缸直徑與工程容積，制動主缸行程計算，制動主缸活塞寬度與缸筒的壁厚，制動踏板力與踏板行程，制動液的選擇與使用，制動力分配的調節裝置）；
最后，在分析計算，校核完成后，確定制動器?的相應形式，結構與尺寸，使用CATIA、CAD等軟件繪制出制動器的零件圖以及裝配圖。
設計的進度計劃：
1、第1周-第4周：課題研究準備階段，搜集相關文獻資料，了解汽車鼓式制動器傳動系的結構及構造原理。整理相關文獻資料，完成文獻綜述、外文翻譯；
2、第4周-第5周：初步進行結構方案的分析設計，完成開題報告；
3、第5周-第7周：確定設計方案，完成相關的設計計算與校核；
4、第7周-第9周：通過AutoCAD、CATIA等繪圖軟件工具畫出鼓式制動器傳動系統的結構設計圖紙，保存相應的記錄數據?；
5、第9周-第11周：完成設計說明書，整理所有文件并復查裝訂成冊；
6、第11周-第13周：最后復查，準備答辯。
完成設計所需條件落實情況：
由于對專業知識的不熟練，可能需要查閱眾多的資料。根據設計車型的特點，合理計算該車型制動系統制動力及制動器最大制動力矩、鼓式制動器的結構形式及選擇、鼓式制動器主要參數的計算與確定、摩擦襯塊的磨損特性計算、制動器熱容量和溫升的核算、制動力矩的計算與校核、在AUTO?CAD或CATIA中完成鼓式制動器零件圖以及裝配圖的繪制、設計合理性的分析和評價等。?
本次設計的目的是通過合理整和已有的設計，閱讀大量文獻，掌握機械設計的基本步驟和要求，以及傳統的機械制圖的步驟和規則；掌握鼓式制動器總成的相關設計方法，以進一步扎實汽車設計基本知識；學會用AUTO?CAD,CATIA等軟件進行基本的建模和制圖，同時提高分析問題及解決問題的能力。提出將各種設計方法互相結合,針對不同的設計內容分別應用不同的方法,以促進其設計過程方法優化、設計結果精益求精。
另外，設計所需參數：汽車軸距L；車輪滾動半徑rr；汽車空，滿載時的總質量ma；空，滿載時的質心位置，包括質心高度hg，質心離前軸距離L1，質心離后軸軸距L2；空，滿載時的軸荷分配：前軸負荷G1，后軸負荷G2等。
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指導教師意見：
指導教師簽字： 年 月 日
學院領導小組意見：
分管教學領導簽字： 年 月 日
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