掺氢对Cummins ISM370柴油机CO、CO2、HC排放特性的影响

杨振中，Hailin Li

（1.华北水利水电大学机械学院，河南郑州450045；2.Department of Mechanical and Aerospace Engineering，West Virginia University，Mogantown 26506，WV，USA）

掺氢对Cummins ISM370柴油机CO、CO2、HC排放特性的影响

杨振中1，Hailin Li2

（1.华北水利水电大学机械学院，河南郑州450045；2.Department of Mechanical and Aerospace Engineering，West Virginia University，Mogantown 26506，WV，USA）

为降低柴油机的排放，近年来，研究加入氢气对重型柴油机排放所产生的影响逐步引起了研究者的关注。在Cummins ISM370柴油机中添加不同比例氢气（最高氢气占进气管氢气空气容积比达7%）与柴油组成混合燃料，进行CO、CO2、HC等排放特性研究。研究结果表明：在各种负荷下，氢气和柴油的混合燃料有助于降低CO、CO2比排放，但总体对THC影响不大；随掺氢量增加，CO、CO2和THC的各自比排放随着负荷的变化规律不尽相同；应该根据负荷选择恰当的加氢比例，最大限度发挥加氢对减少排放的积极作用。

动力机械工程；加氢；Cummins ISM370柴油机；CO、CO2和THC；排放特性

0　引言

为了探索石油燃料在内燃机的被替代途径和减少发动机废气排放，人们对氢作为汽油替代燃料在汽油机的应用研究兴趣已经保持多年，研究表明，氢气-汽油混合燃料有助于改善汽油机的性能［1-4］。与火花点燃式发动机相比，柴油加氢后对着火、发动机性能与排放等的影响更为复杂一些。一般认为［5-6］：轻型柴油机以双燃料模式运行可以提高制动热效率，减少微粒物质（PM）、一氧化碳（CO）、未燃烧过的总碳氢（THC），而氮氧化物（NOx）的排放增加与否则较为复杂。然而，也有柴油机掺入氢气增加CO和THC排放的报道［7］。近年来，对重型柴油机掺入氢气后所产生影响的研究也逐步引起了人们的广泛关注［8-13］。对Cummins ISM370柴油机在进气管供入不同比例氢气后，进行了CO、CO2、HC、NOx与PM排放特性的研究。本文仅就对CO、CO2、HC排放特性的影响进行分析。关于NOx与PM的排放特性研究将在另文发表。

1　试验柴油机及测试系统

1.1试验柴油机概况

试验是在美国西弗吉尼亚大学进行的，试验用发动机以Cummins ISM370柴油机为基础，加装了氢气供应系统。该柴油机为6缸、涡轮增压重型柴油机，它安装在一个404.5 kW的通用电气直流测功机上。安装在柴油机上的测试仪表能够直接显示：进气管空气压力、进气管温度、进气阻力、总排气背压、排气温度、冷却水温度和油温。该柴油机技术参数见表1所示。

表1　柴油机技术参数Tab.1 Specifications of Test Engines

1.2氢气燃料供应系统

图1为氢气燃料系统的原理图，可分为两个子系统：上游氢气燃料系统，从燃料箱到紧急关闭阀A；下游氢气燃料系统，从紧急关闭阀A到进气歧管。上游氢气燃料系统包括氢气瓶、两套压力调节器（图中仅画出一套）、安全阀（图中未画出）、紧急关闭阀A.压力调节器与最大压力为13.8 MPa的氢气瓶相连。当出现紧急情况时，紧急关闭阀A关闭，停止氢气燃料的供应。安全阀是为了防止氢气反向流动设置的。压力调压器可以调节氢气燃料，使之保持一个稳定的压力。上游氢气燃料系统的主要功能是在恒压下连续不断地提供氢气，并在紧急情况下切断氢气的供应。下游氢气燃料系统包括一个紧急关闭阀B、过滤器，氮气清除开通阀、质量流量计、氢气混合器、阻火器、压力释放阀等。下游氢气燃料系统的主要功能是计量、用恰当方式保证将氢气送入发动机进气系统，并防止产生回火。氢气燃料混合器安装在阻火器前15.24 cm处。由于阻火器体积较大，可以满足氢气与空气混合气顺利通过之需。在进气系统中安装阻火器能阻断由回火引起的氢气火焰传播。压力释放阀能减小由于回火引起的进气系统的压力。供入柴油机的氢气通过质量流量计进行测量。

1.3发动机排放测试系统

发动机排出的废气经管道输送到一个容积为直径0.46 m、长6.1 m的取样器中，用临界流量文丘里定容取样器（CFV-CVS）来控制管道的流量。距管道入口0.9 m处有一个直径为0.25 m的孔口，孔口是为了确保排气在到达排放物采样区之前与稀释空气完全混合。管道下游3.05 m处是排放物采样区，通过测试程序，CFV-CVS控制稀释气体标称流量为67.8 m3/min通过文丘里装置入口处的快速反应热电偶和压力传感器来测量CFVCVS的瞬时流量。通过热试样探头和探针通道从管道中提取稀释气体样品，并送到专用排放分析仪中。根据美国联邦法规（CFR）40第86条款要求，气体分析仪工作台安装了气体样品调节和分析系统。HC、CO、CO2等，以单位制动燃油消耗率的排放量形式被测量和记录。用非分光红外（NDIR）法来测量CO和CO2，用火焰离子化检测器来测量HC.从排气分析仪、采样器、双倍稀释管道和发动机得到的数据以1 Hz的速度存储。根据CFR 40中第86条款中柴油机要求有相应的校准程序和时间，在收集数据之前对CFR 40中第86条款中柴油机要求的程序进行检验。表2给出了废气测试分析方法或仪器规格。

图1　氢气燃料供应系统原理图Fig.1 Schematic diagram of H2fuel supply system

表2　废气测试分析方法或仪器规格Tab.2 Specifications of exhaust gas analyzer

1.4试验方式

试验时采用两种方式：一为保持发动机转速不变，同时保持发动机负荷不变，通过进气管掺入氢气，并以整个进气管氢气占空气和氢气之和的容积百分数计量，最大氢气掺加量为7%，测定发动机的排放特性；二为保持发动机转速不变，恒定柴油供给速率，掺入氢气和氢气计量方式同上。本文以下的试验结果是以第一种方式取得的。

2　不同掺氢量下Cummins ISM370柴油机的CO、CO2与HC排放特性

2.1CO排放特性

柴油机中CO是由于柴油机燃料的不充分燃烧以及CO2在高的燃烧温度条件下的分解形成的。首先注意到由于下面图中呈纵坐标显示的是比排放，所以纯柴油运行时，小负荷时比排放大于大负荷。图2和图3显示，除70%负荷情况以外，随着在柴油机中掺入氢气，CO的排放几乎呈直线下降。这是由于在中小负荷范围内，随着氢燃料的加入，柴油燃料的比例下降。而氢气的掺入有助于形成可燃混合气，且增强了火焰传播速度，有利于混合气的完全燃烧，使CO逐步减少。至于掺氢量达到某一程度后，CO排放量下降趋势减缓，是由于随着掺氢量增加，氢气增强火焰传播速度的同时，掺氢量增加会对进气管进气量产生不利影响。这使CO排放量下降趋势减缓。在10%负荷下掺氢量达4%以后，CO排放量甚至增加。这可能是负荷很小时，氢气占氢气和柴油组成的混合燃料的相对比例较大。氢气自燃性差，稀薄混合气中氢气所占比例增加后，混合气中形成的自燃点相对减少，掺氢量增加到一定程度后，加快火焰传播速度有利于燃烧及时完全的同时，自燃点相对减少使火焰传播距离增加，又对及时完全完成燃烧产生负面影响。这表明：通过掺氢意欲减少CO也要有合适的加氢比例，否则会适得其反。在大负荷情况下，在相同掺氢比例下，CO的绝对数量比中小负荷增加；当氢掺加量增加到一定比例后，CO的排放下降趋缓减缓，甚至增加。这可能是由于随着掺氢量增加到一定程度后，有助于形成可燃混合气且加快火焰传播速度有利于燃烧完全的同时，减少进气量的负面作用逐步显现。反而使CO排放量下降趋势减缓，甚至使柴油缺氧导致CO的排放增加。如图3所示，70%负荷下，加入少量氢气（低于3.5%）对CO排放的影响很小。掺加氢气超过4%时轻微增加了CO的排放。

图2　掺氢比及发动机负荷对CO排放的影响（10%、15%、20%负荷，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

图3　掺氢比及发动机负荷对CO排放的影响（30%、50%、70%负荷，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）

图4　掺氢比及发动机负荷对CO2排放的影响（10%、15%、20%、30%、50%、70%负荷，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

图4示出了掺氢对CO2的影响。由于氢气燃烧本身不产生CO2，正如我们所期望的，在柴油机中添加氢气能够逐渐减少CO2的排放。而纯柴油运行时小负荷的比排放CO2也大于大负荷。由图4也可以发现，在掺氢率较小时，CO2的排放量比高负荷多。但是，随着掺氢量的增加，小负荷下CO2减小的趋势要比高负荷更为明显。因此，随着掺氢量增加，小负荷CO2的排放量逐步接近高负荷，继续增加加氢量后，CO2的排放量小于高负荷。即高负荷下随掺氢量的增加，CO2排放量的下降趋势要比低负荷下平缓。这主要是由于对于相同加氢比例而言，高负荷下，氢占氢气与柴油混合燃料的比例相对减小（由于柴油增加的缘故），由于氢气燃烧本身不产生CO2，对整体混合燃料CO2减少的贡献所占比例降低；再加上混合气浓度比低负荷增加，氢气促进混合气形成与火焰快速传播作用相对减小，对完全燃烧的贡献弱化，对CO2排放影响的作用降低。更何况对“比排放”而言，即使CO2下降相同，大负荷（分母大）与小负荷（分母小）相比，小负荷下降趋势要陡一些。

2.3THC排放特性

图5和图6中显示了掺加氢气对THC的影响。如图5所示，在10%负荷下，掺加氢气在稍大于2%时，THC排放为最低；当氢气掺加量增加达到4.5%以后，继续增加氢气掺加量，THC排放量增加较快，氢气掺加量达4.5%以后，甚至高于纯柴油运行。在低负荷（15%和20%）负荷下，掺加氢气对THC排放的影响不大，THC排放量比纯柴油运行稍高。随氢气掺加量增加，THC排放量稍有增加。随着发动机负荷增加，氢掺加量对THC排放的影响减弱，如图6所示，在中、高负荷情况下，掺加氢气对THC的排放影响很小。这与采用13点工况法研究掺加氢气对THC排放的影响很小相一致［14］。

图5　掺氢比及发动机（低）负荷对THC排放的影响（10%、15%、20%负荷，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）

总体来看，掺加氢气对THC排放影响不大。至于随掺氢量增加到一定程度后，特别在低负荷下THC排放增加，原因较为复杂，可能掺氢量增加后，稀薄混合气中氢气占比例增加，低负荷下温度低，氢气自燃性差，增量的氢气本身未完全燃烧造成部分未燃氢；再有在低负荷时，例如10%负荷下，曲线变化趋势较为明显可以视为比排放计量办法的原因，即在同样的THC变化幅度下由于小负荷分母小，比值显现得较为明显。

图6　掺氢比及发动机（中、高）负荷对THC排放的影响（30%、50%、70%负荷，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　结论

1）在柴油机中掺加氢气后，有利于混合气形成，增强了火焰传播速度，有利于混合气的完全燃烧，使CO逐步减少。在大负荷时，当掺入氢气增加到一定比例后，CO的排放下降趋缓减缓，甚至增加。

2）在柴油机中掺加氢气能够逐渐减少CO2的排放，由于高负荷下，氢占氢气与柴油混合燃料的比例相对减小（由于柴油增加的缘故），高负荷下CO2减小的趋势要比小负荷平缓一些。

3）总体来看，氢气掺加对Cummins ISM370柴油机的THC排放影响不大。在中、大负荷时，氢气掺加对THC的比排放的影响进一步减弱。

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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

国家自然科学基金项目（51076046）；河南省创新型科技团队项目（豫科人组［2011］3号-39）；河南省科技创新杰出人才项目（2015年）

杨振中（1957—），男，教授。E-mail：yzzho@163.com