汽油机混合气中少量掺氢的研究

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1、汽油机混合气中少最掺氢的研究穆丰瑞本文研究了向汽油机的混合气中掺入少量氮后对其经济性和排放特性的影响.试验结果表明氮的加 入改善了发动机的燃烧,故二者均有改善。关镇词:少量修氮(Ad dingsmallamo u ntof hydrogen )(汽油一空气)混合气(Ga s olin e一airmixtur e)排放特性(Emis sionpropert y)一、概述由于石油、煤的大量开采而造成常规能源短缺,这促使寻求新能 源 的研究工作广泛进行.氢由于其本身特点理所当然地受到人们的重视。它的特性使其用作发动机姗料具备以下优点:1.它是一种理想的清洁燃料,因为它的燃料产物是水对大气无污染.这在

2、当前对排放要求日趋严格的情况下是极为重要的.2.氢具有宽广的着火界限(在常压空气中其极限过量空气系数a三。.15、7 ),比汽油的着火界限(常压空气中汽油的a=0.5、1.3 )要宽广的多,有利于稀混合气的燃烧。3.氢气燃烧的火焰传播速度高(常压空气中比汽油快59倍),这对改善燃烧性能极为有利。尽管氢作为发动机燃料具备了上述优点,但目前无论是降低制氢成本或是氢的储存和运输上都还存在一定的困难.这些问题不解决燃 用纯氢的使用成本就无法降低,而且汽油机燃用纯氢还存在功率下降、回火和NOx排放高等问题,这些限制了纯氢的广泛应用.汽油的着火极限范围小,火焰传播速度慢并随混合气变稀而减小等燃烧特性是影响

3、汽油机性能的主要原因之 一。本项研究的目的就是利用氢的上述特性,在汽油空气混合气中掺人少量的氢(按燃料消耗量计为汽油的13%),使汽油机中,小负荷时以稀混合气工作.由于掺氢量有限,为保证发动机的性能稀混合气的总过量空气系数a:控制在1.11.2.因为混合气中含有汽油和氢,总过量空气系数a:的计算如下_O,L口;G:十L口:GH口A(1 4.8+34.7 8沪)G:汽油机棍合气中少量掺氢的研究式中:OA流量计测得的实际空气消耗量(k盯hr),GZ汽油消耗量(kg/hr),G:氢消耗量(kg/h r ),叻=G洲GT掺氢比率;一、L。,、L。:分别为汽油、氢完全燃烧理论空气消耗量,计算时取Lo=1

4、4.5Lo二=3 4.7 8掺氢后发动机能实现稀气速燃,这对效率和排放都有利.怠速是市内交通经常发生 的工况,此时发动机工作条件恶 劣,混合气较浓污染严重.我国目前拟试行的排气法规就只针对怠速 工况,而 国外工 况法的排气法规中怠 速亦占有重要比例.本项试验对怠速工况掺氢前后的排放做了对比试验.二、试验装里和试验方法本项试验在49 2汽油机上进行,采用 2 31一A1 6型化油器,其主量孔可 调.图1为试验装置简图。 一l l l lle ee e 引引图1试验装置简图4 92汽油机2.测功器空气流量计8.氢气瓶3.进气管4.混合器5.化油器6.稳压箱9.氢气流量计1.化油器下接混合器,氢由此

5、掺人并保证均 匀混合.2.氢气山气瓶供给,通过阀门控制供氢的密度和容积流量,从 而保证庄各工况下按要求的掺氢比例供给氢气.氢气点火能量小运行中为防止回火引起事故,在供氢管洛中加一回火防止器以确保安全.氢为易燃气体为安全起 见氢气瓶和供氢调节装置与试验发动机不 在一室.5.应用R l一so3AH一S红外分析仪监测CO、H C、RS一325LNO;分析仪监测N O:二4.将化油器按规定调 正然后用纯汽油进行负荷特性试验并作各种必要的侧量,一以此作为与掺氢进行效果对比的基础.调正化油器主量孔使混合气变稀同时掺人氢气,作不同掺氢 量的负荷特性以便进行对比.由于汽油着火范围小为保证发动机连续运转,当混合

6、气较稀时油量调正和掺氢应同时进行.砂乃河北工学院孚报10s e年第:期三、试验结果分析1.拾氮对经济性的影响掺氢 后利用氢良好的燃烧特性可以实现稀气速燃,因此改善了发动机的工作过程使经济性得到改善.图2为燃用纯油和掺氢量约为1%时经济性对比.从油耗率曲线可以看出掺氢后g。明 显下降,但此时部分氢气参加燃烧.为进一步说明经济性的改善可以比较两种情况下发动机的热效率.纯油时的热效率。二一旦丝竺g,2XIOH。先劝 要十汽油一认J 翻场r卜、_了/ 毕%乡。O歹O闪图2掺氢对发动机经济性的影响图3掺氢量改变对发动机经济性的影响式中:H。一汽油低热值,计算时可取H。:=1 05o0Keal/kg掺氢后

7、的热效率为。,.谓戳是黯丁式中:H,氢的低热值,取H。=之ssooKe al/kg。,。=、影装 黑拿从热效率曲线的比较可以看出掺氢后有 所改善,尤其在中、低负荷 时 乎均提高约8 1 0 %。高负荷时提高较少,其原因和混合气的稀浓有关.高负荷时由于加浓量孔尺寸朱汽油机混合 气中少量掺 氢的研究变、混合气仍较浓故对燃烧的改进不明显,效率提高不多.而中、低负荷时a值在1.11.2之间,这样氢的作用发挥较好,故效率提高较明显.、图3为掺氢量改变时发动机 经济性的影响.此时发动机油门不动,转速维持在2600印m而逐渐加大供氢量.由于 最大掺氢量时势=3.39,故在此试验条件下发动机的a值不会因掺氢量

8、增加而过份减小,只是在1 .2一1.1 5之间变化.这样掺氢量增加燃烧过程明显改善。发动机的效率从纯汽油时的0.20 1提高到沪=3.3 9时的0.2 72,相对提高达3 5 %.油耗率由2 97.7g/Hp一hr下降到20 3.9,约降低3 2 %.发动机的功率由3 3.8Hp提高到4 3.9,提高3 0 %.发动机的排气温度燃用汽油时高达83 0“C,这表明稀的汽油混合气由于燃烧过程缓慢而使过后燃烧严重,故排气温度偏高。但随着氢的加人而使燃烧过程改善,排气温度迅速下降并随叻值增加不断下降,势=3.3 9时 比燃用汽油时下降了9 0。2.掺氮对发动机排放的影响由于掺氢后可用较稀的混合气,这无

9、疑可以降低CO的排放,试验结果也 说明了这一点,图4为发动机使用汽油和掺氢1%时有害气体排放的对比.由图中曲线可以看出CO下降幅度很明显,尤其在中、小负荷时降低了几十倍。改变掺氢量 时只要 混合气不因掺氢而变浓,则CO的排放就不会因掺氢量增加而增大。图5为掺氢量改变对发动机有害气体排放的影响.由图可以看出掺氢量增加,C O的排放基本不变.壳户 渗塞.,/糯种枷P 0 0吮川心0 00D.闭口月叼夕川p 七1 1夕荡 即阳6 0匆十l e e叶月!决啊阳卯,?月布卜卜)-J. 勺了乙之口1. 0r一夕N艺(沪)图4掺氢对发动机排放的影响图5掺氢量对排放的影响从上可以看出C O的排放主要与氧的充分

10、与否有关,使用汽油时CO曲线(图4)出现最低点就是因为此时的a值大于1。掺氢的目的就是使用稀混合气,因此C O大幅度下降是毫无问题的。HC化合物的生成受多种因素影响.本机掺氢前后HC的生成量均很低. (图4、6),最高时保为“o,7opPm(一般中、高溥行驶车用汽坤机为3” “。pm以上,日本六点工况踌规粤汽油机混合 气中少量掺 氢的研究变、混合气仍较浓故对燃烧的改进不明显,效率提高不多.而中、低负荷时a值在1.11.2之间,这样氢的作用发挥较好,故效率提高较明显.、图3为掺氢量改变时发动机 经济性的影响.此时发动机油门不动,转速维持在2600印m而逐渐加大供氢量.由于 最大掺氢量时势=3.3

11、9,故在此试验条件下发动机的a值不会因掺氢量增加而过份减小,只是在1 .2一1.1 5之间变化.这样掺氢量增加燃烧过程明显改善。发动机的效率从纯汽油时的0.20 1提高到沪=3.3 9时的0.2 72,相对提高达3 5 %.油耗率由2 97.7g/Hp一hr下降到20 3.9,约降低3 2 %.发动机的功率由3 3.8Hp提高到4 3.9,提高3 0 %.发动机的排气温度燃用汽油时高达83 0“C,这表明稀的汽油混合气由于燃烧过程缓慢而使过后燃烧严重,故排气温度偏高。但随着氢的加人而使燃烧过程改善,排气温度迅速下降并随叻值增加不断下降,势=3.3 9时 比燃用汽油时下降了9 0。2.掺氮对发动

12、机排放的影响由于掺氢后可用较稀的混合气,这无疑可以降低CO的排放,试验结果也 说明了这一点,图4为发动机使用汽油和掺氢1%时有害气体排放的对比.由图中曲线可以看出CO下降幅度很明显,尤其在中、小负荷时降低了几十倍。改变掺氢量 时只要 混合气不因掺氢而变浓,则CO的排放就不会因掺氢量增加而增大。图5为掺氢量改变对发动机有害气体排放的影响.由图可以看出掺氢量增加,C O的排放基本不变.壳户 渗塞.,/糯种枷P 0 0吮川心0 00D.闭口月叼夕川p 七1 1夕荡 即阳6 0匆十l e e叶月!决啊阳卯,?月布卜卜)-J. 勺了乙之口1. 0r一夕N艺(沪)图4掺氢对发动机排放的影响图5掺氢量对排放

13、的影响从上可以看出C O的排放主要与氧的充分与否有关,使用汽油时CO曲线(图4)出现最低点就是因为此时的a值大于1。掺氢的目的就是使用稀混合气,因此C O大幅度下降是毫无问题的。HC化合物的生成受多种因素影响.本机掺氢前后HC的生成量均很低. (图4、6),最高时保为“o,7opPm(一般中、高溥行驶车用汽坤机为3” “。pm以上,日本六点工况踌规粤汽油机混 合气 中少 量掺 氢的研究难于达到此标准,尤其是HC的排放,而采用掺氢方法时适当提高怠速转速或加大掺氢量,则不难满足 此要求。以上也说明在怠速这种燃 烧条件极为不利的情况下氢的加人确实改善了燃烧.图6中还给出了燃用汽油刊 的能量消耗量Eg

14、和燃用氢一汽油混合气时能量消耗量Eg、曲线的比较.其中E:=GrH。:(KC al/hr)E*=GTH:,十凡H。,曲线的比较表明掺氢后能量消耗降低且与掺氢量成正 比.三种情况维持怠速运转所需克服的阻力是不变的,而能耗的降低也从另一方面说明掺氢后燃烧的改善.4.掺氮对功率损失的影响如前所述,发动机燃用纯氢时会引起功率下降,因此国外有的研究认为,为了保证发动机功率满负荷时宜控制用汽油工作.本次试验只改变了化油器主量 孔其他未变,因此满负荷时不能实现 稀混合气燃烧.这会降低掺氢效果,但亦使因掺氢而造成的功率损失接近为零。表1为功率损失的对比,由表可 以看出掺氢后功率损失不 足0.6%,而山于氢的作

15、用效率却提高了13.9%.由于混 合气仍较浓故 排放的改善不甚明显.表1功率损失对比最大功率/2600rpJ“!热效率C O (%)HC1NOx垫一些一掺氢50.4二二二“17!o9“3o(pp m)(pp m) 二一阵竺竺一“O一.一叫粼四、几点意见本项研究只是进行了少量掺氢的初步探索.通过试验及其结果的分析我认为要想取得实用上更大的效益,尚有一些问题需深人探讨.初步归纳如下:1.掺氢后发动机油耗率下降,经济性得到改善,但使用瓶装氢气每公斤成本要比汽油贵的多,这对使用成本不利.如何降低使用成本这是下一步的研究方向之一2.掺氢改善了CO的排放,怠速时CO、HC均亦明显下降,但NO:的排放有所提

16、高.这是燃用氢或氢一汽油混 合燃料的普遍问题.解决这一问题国内、外均有可以借鉴的经验,这一问题不难解决.3.本次试验对供油系统并未做大的改动.从试验结果看只简单改变主量孔在掺氢比例小的情况尚感不足,如若增大掺氢量则燃料供给系统其中包括化油器必须做相 应的变动,否则难于取得预期效果.4.为了进一步提高掺氢效益,除了燃料系统外,对发动机的压缩比,燃烧室结构等亦应做相应的改进。我院汽车八一学生 刘志忠、耿瑞 彬为本项试验做了大量准备工作 并和内燃机 实脸室吴振声、杨玉昆、李荣芳等同志一同参加本项试验.本文蒙张胜波、朱世枉二位副教授审阅并择出宝责意见在此一并表示 感谢.河北工学院学报1956年第2期4 4. . . . . . . . . . . ., . 闷弓. 护, , 阳尸 . 口侧 一. . . . . . 曰 . . .参考文献1倪式如,氢一汽油作为汽车混合燃料降低汽车排放物CO、HC的研究,国际太阳能、氢 能学会论 文.2