摻氫對Cummins ISM370柴油機CO、CO2、HC排放特性的影響

楊振中，Hailin Li

（1.華北水利水電大學機械學院，河南鄭州450045；2.Department of Mechanical and Aerospace Engineering，West Virginia University，Mogantown 26506，WV，USA）

摻氫對Cummins ISM370柴油機CO、CO2、HC排放特性的影響

楊振中1，Hailin Li2

（1.華北水利水電大學機械學院，河南鄭州450045；2.Department of Mechanical and Aerospace Engineering，West Virginia University，Mogantown 26506，WV，USA）

為降低柴油機的排放，近年來，研究加入氫氣對重型柴油機排放所產生的影響逐步引起了研究者的關注。在Cummins ISM370柴油機中添加不同比例氫氣（最高氫氣占進氣管氫氣空氣容積比達7%）與柴油組成混合燃料，進行CO、CO2、HC等排放特性研究。研究結果表明：在各種負荷下，氫氣和柴油的混合燃料有助于降低CO、CO2比排放，但總體對THC影響不大；隨摻氫量增加，CO、CO2和THC的各自比排放隨著負荷的變化規律不盡相同；應該根據負荷選擇恰當的加氫比例，最大限度發揮加氫對減少排放的積極作用。

動力機械工程；加氫；Cummins ISM370柴油機；CO、CO2和THC；排放特性

0　引言

為了探索石油燃料在內燃機的被替代途徑和減少發動機廢氣排放，人們對氫作為汽油替代燃料在汽油機的應用研究興趣已經保持多年，研究表明，氫氣-汽油混合燃料有助于改善汽油機的性能［1-4］。與火花點燃式發動機相比，柴油加氫后對著火、發動機性能與排放等的影響更為復雜一些。一般認為［5-6］：輕型柴油機以雙燃料模式運行可以提高制動熱效率，減少微粒物質（PM）、一氧化碳（CO）、未燃燒過的總碳氫（THC），而氮氧化物（NOx）的排放增加與否則較為復雜。然而，也有柴油機摻入氫氣增加CO和THC排放的報道［7］。近年來，對重型柴油機摻入氫氣后所產生影響的研究也逐步引起了人們的廣泛關注［8-13］。對Cummins ISM370柴油機在進氣管供入不同比例氫氣后，進行了CO、CO2、HC、NOx與PM排放特性的研究。本文僅就對CO、CO2、HC排放特性的影響進行分析。關于NOx與PM的排放特性研究將在另文發表。

1　試驗柴油機及測試系統

1.1試驗柴油機概況

試驗是在美國西弗吉尼亞大學進行的，試驗用發動機以Cummins ISM370柴油機為基礎，加裝了氫氣供應系統。該柴油機為6缸、渦輪增壓重型柴油機，它安裝在一個404.5 kW的通用電氣直流測功機上。安裝在柴油機上的測試儀表能夠直接顯示：進氣管空氣壓力、進氣管溫度、進氣阻力、總排氣背壓、排氣溫度、冷卻水溫度和油溫。該柴油機技術參數見表1所示。

表1　柴油機技術參數Tab.1 Specifications of Test Engines

1.2氫氣燃料供應系統

圖1為氫氣燃料系統的原理圖，可分為兩個子系統：上游氫氣燃料系統，從燃料箱到緊急關閉閥A；下游氫氣燃料系統，從緊急關閉閥A到進氣歧管。上游氫氣燃料系統包括氫氣瓶、兩套壓力調節器（圖中僅畫出一套）、安全閥（圖中未畫出）、緊急關閉閥A.壓力調節器與最大壓力為13.8 MPa的氫氣瓶相連。當出現緊急情況時，緊急關閉閥A關閉，停止氫氣燃料的供應。安全閥是為了防止氫氣反向流動設置的。壓力調壓器可以調節氫氣燃料，使之保持一個穩定的壓力。上游氫氣燃料系統的主要功能是在恒壓下連續不斷地提供氫氣，并在緊急情況下切斷氫氣的供應。下游氫氣燃料系統包括一個緊急關閉閥B、過濾器，氮氣清除開通閥、質量流量計、氫氣混合器、阻火器、壓力釋放閥等。下游氫氣燃料系統的主要功能是計量、用恰當方式保證將氫氣送入發動機進氣系統，并防止產生回火。氫氣燃料混合器安裝在阻火器前15.24 cm處。由于阻火器體積較大，可以滿足氫氣與空氣混合氣順利通過之需。在進氣系統中安裝阻火器能阻斷由回火引起的氫氣火焰傳播。壓力釋放閥能減小由于回火引起的進氣系統的壓力。供入柴油機的氫氣通過質量流量計進行測量。

1.3發動機排放測試系統

發動機排出的廢氣經管道輸送到一個容積為直徑0.46 m、長6.1 m的取樣器中，用臨界流量文丘里定容取樣器（CFV-CVS）來控制管道的流量。距管道入口0.9 m處有一個直徑為0.25 m的孔口，孔口是為了確保排氣在到達排放物采樣區之前與稀釋空氣完全混合。管道下游3.05 m處是排放物采樣區，通過測試程序，CFV-CVS控制稀釋氣體標稱流量為67.8 m3/min通過文丘里裝置入口處的快速反應熱電偶和壓力傳感器來測量CFVCVS的瞬時流量。通過熱試樣探頭和探針通道從管道中提取稀釋氣體樣品，并送到專用排放分析儀中。根據美國聯邦法規（CFR）40第86條款要求，氣體分析儀工作臺安裝了氣體樣品調節和分析系統。HC、CO、CO2等，以單位制動燃油消耗率的排放量形式被測量和記錄。用非分光紅外（NDIR）法來測量CO和CO2，用火焰離子化檢測器來測量HC.從排氣分析儀、采樣器、雙倍稀釋管道和發動機得到的數據以1 Hz的速度存儲。根據CFR 40中第86條款中柴油機要求有相應的校準程序和時間，在收集數據之前對CFR 40中第86條款中柴油機要求的程序進行檢驗。表2給出了廢氣測試分析方法或儀器規格。

圖1　氫氣燃料供應系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of H2fuel supply system

表2　廢氣測試分析方法或儀器規格Tab.2 Specifications of exhaust gas analyzer

1.4試驗方式

試驗時采用兩種方式：一為保持發動機轉速不變，同時保持發動機負荷不變，通過進氣管摻入氫氣，并以整個進氣管氫氣占空氣和氫氣之和的容積百分數計量，最大氫氣摻加量為7%，測定發動機的排放特性；二為保持發動機轉速不變，恒定柴油供給速率，摻入氫氣和氫氣計量方式同上。本文以下的試驗結果是以第一種方式取得的。

2　不同摻氫量下Cummins ISM370柴油機的CO、CO2與HC排放特性

2.1CO排放特性

柴油機中CO是由于柴油機燃料的不充分燃燒以及CO2在高的燃燒溫度條件下的分解形成的。首先注意到由于下面圖中呈縱坐標顯示的是比排放，所以純柴油運行時，小負荷時比排放大于大負荷。圖2和圖3顯示，除70%負荷情況以外，隨著在柴油機中摻入氫氣，CO的排放幾乎呈直線下降。這是由于在中小負荷范圍內，隨著氫燃料的加入，柴油燃料的比例下降。而氫氣的摻入有助于形成可燃混合氣，且增強了火焰傳播速度，有利于混合氣的完全燃燒，使CO逐步減少。至于摻氫量達到某一程度后，CO排放量下降趨勢減緩，是由于隨著摻氫量增加，氫氣增強火焰傳播速度的同時，摻氫量增加會對進氣管進氣量產生不利影響。這使CO排放量下降趨勢減緩。在10%負荷下摻氫量達4%以后，CO排放量甚至增加。這可能是負荷很小時，氫氣占氫氣和柴油組成的混合燃料的相對比例較大。氫氣自燃性差，稀薄混合氣中氫氣所占比例增加后，混合氣中形成的自燃點相對減少，摻氫量增加到一定程度后，加快火焰傳播速度有利于燃燒及時完全的同時，自燃點相對減少使火焰傳播距離增加，又對及時完全完成燃燒產生負面影響。這表明：通過摻氫意欲減少CO也要有合適的加氫比例，否則會適得其反。在大負荷情況下，在相同摻氫比例下，CO的絕對數量比中小負荷增加；當氫摻加量增加到一定比例后，CO的排放下降趨緩減緩，甚至增加。這可能是由于隨著摻氫量增加到一定程度后，有助于形成可燃混合氣且加快火焰傳播速度有利于燃燒完全的同時，減少進氣量的負面作用逐步顯現。反而使CO排放量下降趨勢減緩，甚至使柴油缺氧導致CO的排放增加。如圖3所示，70%負荷下，加入少量氫氣（低于3.5%）對CO排放的影響很小。摻加氫氣超過4%時輕微增加了CO的排放。

圖2　摻氫比及發動機負荷對CO排放的影響（10%、15%、20%負荷，n=1 200 r/min）Fig.2 Effect of H2addition and engine load on CO emissions（load：10%，15%and 20%；n=1 200 r/min

圖3　摻氫比及發動機負荷對CO排放的影響（30%、50%、70%負荷，n=1 200 r/min）Fig.3 Effect of H2addition and engine load on CO emissions（load：30%，50%and 70%；n=1 200 r/min）

圖4　摻氫比及發動機負荷對CO2排放的影響（10%、15%、20%、30%、50%、70%負荷，n=1 200 r/min）Fig.4 Effect of H2addition and engine load on CO2emissions（load：10%，15%，20%，30%，50%and 70%；n=1 200 r/min）

2.2CO2排放特性

圖4示出了摻氫對CO2的影響。由于氫氣燃燒本身不產生CO2，正如我們所期望的，在柴油機中添加氫氣能夠逐漸減少CO2的排放。而純柴油運行時小負荷的比排放CO2也大于大負荷。由圖4也可以發現，在摻氫率較小時，CO2的排放量比高負荷多。但是，隨著摻氫量的增加，小負荷下CO2減小的趨勢要比高負荷更為明顯。因此，隨著摻氫量增加，小負荷CO2的排放量逐步接近高負荷，繼續增加加氫量后，CO2的排放量小于高負荷。即高負荷下隨摻氫量的增加，CO2排放量的下降趨勢要比低負荷下平緩。這主要是由于對于相同加氫比例而言，高負荷下，氫占氫氣與柴油混合燃料的比例相對減小（由于柴油增加的緣故），由于氫氣燃燒本身不產生CO2，對整體混合燃料CO2減少的貢獻所占比例降低；再加上混合氣濃度比低負荷增加，氫氣促進混合氣形成與火焰快速傳播作用相對減小，對完全燃燒的貢獻弱化，對CO2排放影響的作用降低。更何況對“比排放”而言，即使CO2下降相同，大負荷（分母大）與小負荷（分母小）相比，小負荷下降趨勢要陡一些。

2.3THC排放特性

圖5和圖6中顯示了摻加氫氣對THC的影響。如圖5所示，在10%負荷下，摻加氫氣在稍大于2%時，THC排放為最低；當氫氣摻加量增加達到4.5%以后，繼續增加氫氣摻加量，THC排放量增加較快，氫氣摻加量達4.5%以后，甚至高于純柴油運行。在低負荷（15%和20%）負荷下，摻加氫氣對THC排放的影響不大，THC排放量比純柴油運行稍高。隨氫氣摻加量增加，THC排放量稍有增加。隨著發動機負荷增加，氫摻加量對THC排放的影響減弱，如圖6所示，在中、高負荷情況下，摻加氫氣對THC的排放影響很小。這與采用13點工況法研究摻加氫氣對THC排放的影響很小相一致［14］。

圖5　摻氫比及發動機（低）負荷對THC排放的影響（10%、15%、20%負荷，n=1 200 r/min）Fig.5 Effect of H2addition and engine load on THC emissions（load：10%，15%and 20%；n=1200 r/min）

總體來看，摻加氫氣對THC排放影響不大。至于隨摻氫量增加到一定程度后，特別在低負荷下THC排放增加，原因較為復雜，可能摻氫量增加后，稀薄混合氣中氫氣占比例增加，低負荷下溫度低，氫氣自燃性差，增量的氫氣本身未完全燃燒造成部分未燃氫；再有在低負荷時，例如10%負荷下，曲線變化趨勢較為明顯可以視為比排放計量辦法的原因，即在同樣的THC變化幅度下由于小負荷分母小，比值顯現得較為明顯。

圖6　摻氫比及發動機（中、高）負荷對THC排放的影響（30%、50%、70%負荷，n=1 200 r/min）Fig.6 Effect of H2addition and engine load on THC emissions（load：30%，50%and 70%；n=1200 r/min）

3　結論

1）在柴油機中摻加氫氣后，有利于混合氣形成，增強了火焰傳播速度，有利于混合氣的完全燃燒，使CO逐步減少。在大負荷時，當摻入氫氣增加到一定比例后，CO的排放下降趨緩減緩，甚至增加。

2）在柴油機中摻加氫氣能夠逐漸減少CO2的排放，由于高負荷下，氫占氫氣與柴油混合燃料的比例相對減小（由于柴油增加的緣故），高負荷下CO2減小的趨勢要比小負荷平緩一些。

3）總體來看，氫氣摻加對Cummins ISM370柴油機的THC排放影響不大。在中、大負荷時，氫氣摻加對THC的比排放的影響進一步減弱。

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Effects of H2Addition on Exhaust Emissions of CO，CO2and HC in Cummins ISM370 Diesel Engine

YANG Zhen-zhong1，Hailin Li2
（1.School of Mechanical Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，Henan，China；2.Department of Mechanical and Aerospace Engineering，West Virginia University，Morgantown 26506，WV，USA）

In order to reduce the emissions of diesel engine，the investigation into the effect of H2addition on the emissions of heavy-duty diesel engines is attracting attention from researchers in recent years.The effects of H2addition at different proportions（the highest volume proportion of hydrogen is 7%of hydrogen air mixture in inlet pipe）on the emissions of CO，CO2and HC in Cummins ISM370 diesel engine are researched.Research shows that the addition of hydrogen can benefit the reduction in the emissions of CO，CO2and THC in various loads，and has little effect on the emissions of THC.Moreover，with the increase in amount of hydrogen，the emission characteristics of CO，CO2and THC varies with the change of load.The amount of hydrogen added should be appropriate to load operation to reduce the emission in maximum extent.

power machinery engineering；hydrogenation；Cummins ISM370 diesel engine；CO，CO2and THC；emission characteristics

TK91

A

1000-1093（2015）01-0040-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.01.006

2014-04-14

國家自然科學基金項目（51076046）；河南省創新型科技團隊項目（豫科人組［2011］3號-39）；河南省科技創新杰出人才項目（2015年）

楊振中（1957—），男，教授。E-mail：yzzho@163.com