某轻型货车鼓式制动器设计含三维CATIA模型
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氢气柴油量变化对双燃料柴油机制动热效率的影响
BiplabK.Debnath,UjjwalK.Saha,Niranjan Sahoo
Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology Guwahati-781039, Assam, Indi
摘要：二十一世纪氢气很可能会作为一种气体燃料而兴起，因为它既环保，而且具有巨大的能源潜力。在本文中，实验进行采用双燃料模式压缩点火柴油机，分别将柴油和氢气作为实验液体和主要气体燃料。本研究的目的是找出使其达到最大制动热效率的特定柴油和氢的不同组合分别在五种加载条件下（20%，40%，60%，80%和100% 满负荷）对柴油的最大替代率。同时，在制动燃料消耗，制动能量消耗、体积效率和排气温度的影响作用下，也观察到在五种不同负荷的液体气体燃料组合。其次，进行以第二定律优化运行双燃料发动机，能够看出柴油发动机在柴油氢气双燃料模式中，如果柴油氢气比例保持在40:60，该发动机可以高效运行。
关键词：柴油机，柴油替代率，氢气，双燃料，效率，第二定律
1．简介
传统化石燃料的使用已经达到了一个危机点，对此有很多原因，如不可再生能源是有限储量的和化石燃料对环境造成了损害[1]。因此，世界各地的研究人员正在探索各种选项为了找到合适的替代品来代替化石燃料，无论是部分或完全代替[2]。已经用于替代石油基燃料的替代燃料包括蔬菜油、醇、液化石油气（LPG），液化天然气（LNG）、压缩天然气（CNG）、生物气、煤气、氢气等，在这种情况下，氢气（H2）作为非石炭、无毒的气体燃料，已引起人们的极大兴趣和潜力巨大。氢气是一种极有可能的替代燃料，可以来自各种自然资源。其他包括：煤，油页岩和铀或可再生能源的基础上太阳能。氢气可以从电解水和煤的气化阳离子商业形成；水和太阳也能电解化学热分解，虽然仍处于发育阶段[3]。点燃氢气所需的能量是非常低的，因此它的使用在火花点火（硅）发动机是不合适的。再次，在压缩点火（CI）引擎，将不会自动点燃由于其自燃温度高（858k）。因此，“双燃料”模式出现的最佳方式是利用氢气在内燃机[4]。双燃料环境可以通过最初使用少量的柴油（作为先导燃料）来启动燃烧，然后供给氢气（作为主要燃料），以提供剩余的能量来运行周期。关于电源输出，氢提高了混合的能量密度，在稀薄的条件下，通过增加氢碳比在双燃料运行，从而提高扭矩在宽的开节气门条件[5]。氢气可通过渗碳的发动机提供，歧管或进气道喷射或缸内喷射[6,7]。然而，氢气在进气歧管或端口注入需要小迪阳离子在发动机和提供更好的输出功率超过增碳作用[8–10]。易等人的实验作品[11]建立了进气道喷射，提供比缸内喷射不同当量比更高的效率。
瓦德和帧计算出氢气柴油双燃料模式制动热效率（ηbth）主要是依赖于氢气的加入量。氢气的量越大，制动热效率的值越高。已经从氢气柴油双燃料模式看出，90%的浓缩氢比在70%负荷给出高30%的效率，但由于爆震问题不能完全超出负载范围之外[3]。然而，发现制动热效率下降时，氢气的量是小于或等于5%。在他们的分析中，一个极其稀薄的氢气空气混合物的限制火焰传播速度更快，从而降低氢气燃烧效率[12]。然而，氢气柴油双燃料模式实验工作完成后，除了上面提到的，并不能证明这种下降制动热效率与氢气有关。根据Shudo等人，氢燃烧会导致燃烧室壁的冷却损失比碳氢化合物燃烧更高，因为它的燃烧速度和淬熄距离都较短。由王和张的研究表明，引入氢进入柴油发动机会导致能量释放率增加的早期阶段的燃烧，这都增加了指示效率[15]。这也是降低排气温度的原因。据他们说，在50%、75%和100%的负载中提供固定的氢气供应量，氢气取代率为13.4%，10.1%和8.4%分别与高能量的扩散速度和高的能量释放。
正常和大量的废气再循环（EGR）实践H2柴油双燃料模式可以降低电力生产和燃料消耗[16]。增加压缩比（铬）的氢燃料的柴油发动机提高功率，效率，峰值压力，峰值热释放率和碳氧化物的排放，但不增加排放[17]。一项研究表明，推进喷射定时的喷射定时变化，虽然提供了有利的减排，但使发动机的运作效率更低和不稳定[18]。Sahoo等人对合成气柴油双燃料模式改为H2和一氧化碳的实验研究：在20%、40%、60%共比100:0，80%和100%满负荷在氢最大可能供应直到敲门[19]。这项研究表明，在80%的负载，在最大72.3%柴油置换率下发动机提供了最大的19.75%制动热效率。一些研究人员[20]研究了在每一个负载的柴油数量的变化，以提高制动功率（英国石油公司）。进气歧管中氢气供给量的增加会导致发动机的空气流量减少。因此，发动机的容积效率（η），ηBTH减少。因此，有研究和了解发动机性能的变化，无论是氢气和柴油供应，同时保持在每一个负载条件下恒定的压力。
鉴于此，本研究的目的是在五个相应负载条件下的通过改变燃料（试点和初级）的数量确定氢气柴油最大的容积效率和保持恒定的速度和BP。一些柴油和氢气的重要物理和热力学性能示于表1。选择负载条件20%、40%、60%、80%和100%的满负荷。由Sahoo等人报道[19]，在上述荷载双燃料运行期间最大的柴油替代率分别为26%，42%，58%，72%，和44%。其他性能参数的研究包括燃油消耗（BSFC），制动具体的能源消耗（BSEC），容积效率（η）和排气温度（EGT）。为了认可实验结果和分析，通过二次法律分析，以提供计算可用的燃料，冷却水，废气，可用性破坏和火用效率的直方图。以这种方式，目前的实验和分析研究，在每一个负载的恒功率，将以最佳的效率建立优化的氢气组合物的数量。
表1：氢气和柴油特性[19]
性能
柴油机
氢气
化学成分
CH
H
密度（kg/m）
850
0.085
热值 (MJ/kg)
42
119.81
十六烷值
45-55
_
自动点火温度（K）
553
858
理论空燃比
14.92
34.3
能量密度 (MJ/Nm)
2.82
2.87
2．实验装置
实验是一个安装在印度高哈蒂技术学院能源中心基洛斯卡TV1 CI柴油发动机上进行（IIT）的。图1是发动机试验台的示意图。原机的规格见表2。发动机负荷是由涡流式测功机进行测试。液体燃料从燃料箱的燃料泵和喷油器供给发动机。发动机的燃油喷射系统由三孔的直径0.3毫米的喷嘴喷雾角度为120度。U型管式压力计用于流量的水头差的发动机，同时允许空气通过孔板流量计。发动机缸体和气缸盖被一个冷却的外套所包围，通过该冷却夹套冷却发动机。为了测量废气的比热，还提供了一种管换热器的反流管的量热器。K型热电偶进行温度测量，安装在相应位置[21]。
表2：柴油机规范[21]
参数
规格
发动机型号
基尔洛斯卡尔TV1
细节
单缸，四冲程柴油，水冷却，压缩点火
孔与冲程
87.5×110mm
压缩比
17.5:1
额定功率
5.2kW(7BHP)1500rpm
气箱
与孔板流量计和压力计
测功机
电涡流加载单元，0–16kg
燃油喷射口
205条23度 BTDC静态
量热器类型
管道布置
浮子流量计
水流量测量
图1：装置示意图 图2：可调杠杆臂布置图
3．实验步骤
表3是在不同载荷下的设计实验矩阵。首先，该引擎可以在稳态柴油变化负荷下运行几分钟。发动机和热量计的冷却水供应设置为每小时270和80升，根据发动机供应商的指示。此后，负荷逐渐增加至3.2公斤（20%负载），发动机被允许运行，直到达到一个稳定状态，然后，发动机冷却水的入口和出口温度，量热器冷却水和废气测量。水头差，柴油流量和发动机转速也被记录下来。可调节的杠杆臂然后转动压燃油切断阀，这将降低燃料供给速度。
当所有的燃料替换率的数据被记录下来，发动机被恢复到它的柴油模式。增加由涡流测功机的负载，并在该负载的所有柴油置换率的测量程序重复。最大燃料替代率（见表3）五加载条件（20%，40%，60%，80%和100%满负荷）是从工作由该等人报道[19]。最后，氢气供应完全停止，发动机被允许在“无负载条件”运行之前完成关闭。
表3：实验矩阵
载荷
柴油置换比
发动机运转
20%
10,20,26
速度
40%
10,20,30,40,42
1500±50RPM
60%
10,20,30,40,50,58
喷油提前角
80%
10,20,30,40,50,60,70,72
23 BTDC
100%
10,20,30,40,44
4．分析过程
在每个柴油替代率采集的数据集和各负荷下，根据下列方程分别计算相关参数。
柴油替代率（Z）：
刹车电源可以写为：
柴油模式的制动热效率测量
双燃料模式的制动热效率
双燃料模式的制动特定燃料消耗量计算
为双燃料模式的制动特定的能源消耗
可以计算出的体积效率
5．热力学分析
利用热力学定律分析了氢柴油双燃料试验的结果。它提供了显着的信息，在发动机的不同部分提供适当分布的燃料[24]。此外，利用或破坏的能量被量化的可用性分析。最后，这种分析给出了精确的氢和柴油组合物，应保持提取的最大能量量从燃料供给的能量。因此，“第一定律（能量）”以及“第二定律（火用）”的发动机的研究，在下面的章节中描述正确的方程。
5.1能量分析
根据热力学第一定律，在一个系统中所提供的能量是守恒的，在它的不同的过程和组成部分[25]。在内燃机中，燃料供给（Q）在不同的过程中被转移，即轴功率（P），在冷却水的能量（Q），废气中的能量（Q）和无数的能量损失（Q）在摩擦形式的辐射，热传递到周围的环境，操作的辅助设备等等，这些不同形式的能量是根据下列表达式计算[26]。
所提供的燃料能量，即能量输入可以计算如下：
能量转移到轴可以测量
将能量转移到冷却水中，可以计算为
能量流通过废气
对于一个更精确的热力学分析，计算出的排气气体的特定的热量从排气气体量热仪的能量平衡。最后，从能量平衡，数不清的能量损失
5.2火用分析
可用性可以被描述为所提供的能量的能力来执行一个有用的量的工作[27]。在发动机燃料的化学有效性（A）提供转换成不同类型的分析，即轴的可用性，冷却水的可用性、废气的可用性和破坏性在摩擦，形式的辐射，热传递到周围的环境，操作辅助设备，等这些形式的能量是根据以下的解析表达式，如在文献[28]计算。
所提供的燃料的化学可用性
被记录为冷却水的可用性可以被测量的可用性转移到轴的可用性
废气的可用性可以计算为
从废气量热仪的能量平衡和柴油燃料完全燃烧的产品中估计出废气常数
无数的可用性破坏取决于可用性的平衡
因此，火用效率（η）可以估计为
6．结果与讨论
本文的研究结果和讨论部分，分为两节，即，性能分析和二次法律分析。性能分析讨论制动热效率、燃油消耗率、组织、效率，EGT和柴油双燃料模式最大的制动热效率的比较。后来，第二定律分析表明燃料的供应量，冷却水和废气，破坏性和火用效率
6.1性能分析
H2的柴油量的变化对ηBTH对五加载条件的影响如图3所示。除了20%的负荷，其他所有负载条件下，H2的量增加ηBTH增加，但只是达到一定的极限下。这表明，在较低的负载区域，氢气不能燃烧，柴油结果在贫燃烧效率里。然而，这种情况随着负载的增加而提高。对ηBTH最大值约在负荷条件20%和80%的柴油替代率之间包括50%和60%。随着ηBTH增加也是生产燃油消耗率遇到的负荷和H2取代率的增加（除了20%负载）如图4的例子。这是因为随着氢气的增加，增加的能量供给量增加到汽缸的增加。因此，相同的血压所需的燃料的总量与缓解能源供应有关。然而，某一点的H2置换后，发动机不能更有效地运行，从而减少ηBTH。这是因为在气缸内的空气（或更精确的氧）的可访问性引起的体积效率的大幅度降低，这可以从图5清楚，在柴油替代负荷百分比增加BSEC的减少。由于H2进行单位质量比柴油高能量（见表1），在每一个载荷代替柴油相同功率H2需要量较低。然而，在20%的负载条件下，传统的差的燃烧效率意味着稍微更多的氢气是必需的，以实现相同的功率为三柴油置换率研究。
图3：制动热效率随柴油置换的变化
图4：制动比燃油消耗随柴油置换的变化
图5：容积效率随柴油置换的变化
6.2第二定律分析
实验观察在目前的工作中的结果是通过公式（14）（20）来处理实现第二规律分析，提出了图6—8作为柴油的替代功能。随着负载的增加，发动机需要更多的燃料燃烧，并实现更高的功率。然而，随着H2量的增加和在试点柴油供应的减少，燃料的可用性降低，这是因为在H2的增加，发动机获得更多的燃料（即H2）具有能量密度高、可弥补需要在特定的负载同BP运行发动机的能量（图6）。虽然BP保持每个加载条件恒定的柴油替代燃料的可用性研究，减少与H2置换的结果在轴的可用性百分比增加，从10清晰。
柴油置换的冷却水供应百分比如图9所示。虽然有轻微的增加，在可用的工作中获得的冷却水与负载的增加，氢气的增加，再平衡50%柴油置换。这是因为在双燃料系统中的氢气的增加，降低了在燃烧过程中，由于其更好的利用在排气冷却水的能量被浪费的机会。然而，超过50%的柴油置换，在冷却水增加了可用的工作由于能量流通过冷却水。
图6：燃料可用性:随柴油替代的变化
图7：轴可用性随柴油置换的变化
图8：可用能效率随柴油置换的变化
图9：冷却水供应随柴油置换的变化
7．不确定性分析
发动机性能和可用性的各种参数的不确定性分析，通过使用扰动技术[33]。计算各独立参数的不确定性是：发动机转速、发动机负荷（1.1%）（1.5%）、液体流量、气体流量（2%）（1.3%），水的流速（1.2%）、低热值的液态和气态燃料（1%）和温度（1.6%）。使用这些值，计算出的发动机性能和可用性参数，预计在±4.3%以内。
8．结论
在这项调查中，一个实验研究和第二定律分析的氢气柴油双燃料柴油发动机。对五种不同负荷的柴油机进行了各种柴油置换试验，获得最佳性能点，然后进行二次法分析，建立了研究结果。这项研究的结果可以概括如下：
1．增加的负载和氢气取代率ηBTH增加的双燃料发动机上有一个特定的点。对于80%的负载，这取决于发生了多达60%柴油替代。ηBTH的下降超出这一范围是由于在η体积减；
2．在油耗减少，在H2供应增加下，组织各负荷结果有恒定的BP。这是因为氢气比柴油具有较高的能量；
3．在最高负荷增加，在几乎相同的燃料消耗下有严重导致EGT高燃烧率和较低的效率；
4．对最大效率的比较表明，在氢气供应的无休止地增加发动机的效率不会提高。为了从发动机中获得最有效的性能，它必须在在双燃料模式40%到60%柴油置换的负载条件下运行；
5．燃料供应量随负荷的增加而增加，以应对英国石油公司的上涨。然而，应对这一事实，供应高能量氢气的增加，燃料的可用性降低。上述事实再次增加了轴作为燃料输入的可用性百分比，虽然保持固定在每一个负载；
6．在低到中范围的柴油置换，增加氢气供应的，补偿增加在冷却水的可用性与负载也增加。在高负载范围内这一区间的排气火用流减少，使燃烧效率和效率更高；
7．氢气柴油双燃料系统运行更高效、并提供更好的性能，当氢气柴油基本保持在40%，50%，60%和40% 到100%的负载范围内BP保持恒定。然而，由于发动机的表现差，双燃料系统运行对20%负载是不优选的。
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（理工类）
题 目： 某轻型货车鼓式制动器设计
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设计主要内容及预期目标：
主要内容：根据设计车型的特点，合理计算该车型制动系统制动力及制动器最大制动力矩、鼓式制动器的结构形式及选择、鼓式制动器主要参数的计算与确定、摩擦衬块的磨损特性计算、制动器热容量和温升的核算、制动力矩的计算与校核、在二维或三维设计平台AUTO CAD、CATIA等软件中完成鼓式制动器零件图以及装配图的绘制、合理性的分析和评价等。
预期目标：掌握鼓式制动器总成的相关设计方法，以进一步扎实汽车设计基本知识；通过合理整和已有的设计，阅读大量文献，掌握机械设计的基本步骤和要求，以及传统的机械制图的步骤和规则；学会用AUTO CAD,CATIA等软件进行基本的建模和制图，同时提高分析问题及解决问题的能力。提出将各种设计方法互相结合,针对不同的设计内容分别应用不同的方法,以促进其设计过程方法优化。
设计的技术路线：
通过各种渠道大量搜集有关汽车鼓式制动器的资料信息，查阅国内外参考文献，查看汽车制动器的相关理论，了解汽车鼓式制动器的基本结构，认识鼓式制动器各部分结构的功能和作用，了解现阶段汽车鼓式制动器的使用状况以及普遍存在的问题，通过对其结构的分析和各种结构优缺点的比较，以及查阅相关标准，最后确定汽车鼓式制动器传动系的结构设计方案，对其主要结构零件进行参数选定、计算及校核，并为自己的设计方案做理论性验证，利用制图软件绘制出主要零部件的设计图纸和总装配图。设计方案如下：
1．鼓式制动器结构形式及选择；
2．制动器主要参数的确定（包括制动力与制动力分配系数，同步附着系数，制动器最大制动力矩，制动强度和附着系数利用率，制动器因数和制动蹄因数，鼓式制动器的结构参数与摩擦系数）；
3．制动器的设计计算（包括制动蹄摩擦片的压力分布规律及径向变形规律，制动器因素计算及摩擦力矩分析计算，制动蹄片上的制动力矩，摩擦衬片的磨损特性计算，制动器的热容量和温升的核算，驻车制动的计算）；
4、制动器主要零件的结构设计（包括制动鼓，制动蹄，制动底板，制动蹄的支承，制动轮缸，摩擦材料，制动摩擦衬片，制动器间隙的调整方法）；
5．制动主缸和制动轮缸的设计计算（包括制动轮缸直径与工程容积，制动轮缸活塞宽度与缸筒的壁厚，制动主缸直径与工程容积，制动主缸行程计算，制动主缸活塞宽度与缸筒的壁厚，制动踏板力与踏板行程，制动液的选择与使用，制动力分配的调节装置）；
最后，在分析计算，校核完成后，确定制动器 的相应形式，结构与尺寸，使用CATIA、CAD等软件绘制出制动器的零件图以及装配图。
设计的进度计划：
1、第1周-第4周：课题研究准备阶段，搜集相关文献资料，了解汽车鼓式制动器传动系的结构及构造原理。整理相关文献资料，完成文献综述、外文翻译；
2、第4周-第5周：初步进行结构方案的分析设计，完成开题报告；
3、第5周-第7周：确定设计方案，完成相关的设计计算与校核；
4、第7周-第9周：通过AutoCAD、CATIA等绘图软件工具画出鼓式制动器传动系统的结构设计图纸，保存相应的记录数据 ；
5、第9周-第11周：完成设计说明书，整理所有文件并复查装订成册；
6、第11周-第13周：最后复查，准备答辩。
完成设计所需条件落实情况：
由于对专业知识的不熟练，可能需要查阅众多的资料。根据设计车型的特点，合理计算该车型制动系统制动力及制动器最大制动力矩、鼓式制动器的结构形式及选择、鼓式制动器主要参数的计算与确定、摩擦衬块的磨损特性计算、制动器热容量和温升的核算、制动力矩的计算与校核、在AUTO CAD或CATIA中完成鼓式制动器零件图以及装配图的绘制、设计合理性的分析和评价等。
本次设计的目的是通过合理整和已有的设计，阅读大量文献，掌握机械设计的基本步骤和要求，以及传统的机械制图的步骤和规则；掌握鼓式制动器总成的相关设计方法，以进一步扎实汽车设计基本知识；学会用AUTO CAD,CATIA等软件进行基本的建模和制图，同时提高分析问题及解决问题的能力。提出将各种设计方法互相结合,针对不同的设计内容分别应用不同的方法,以促进其设计过程方法优化、设计结果精益求精。
另外，设计所需参数：汽车轴距L；车轮滚动半径rr；汽车空，满载时的总质量ma；空，满载时的质心位置，包括质心高度hg，质心离前轴距离L1，质心离后轴轴距L2；空，满载时的轴荷分配：前轴负荷G1，后轴负荷G2等。
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指导教师意见：
指导教师签字： 年 月 日
学院领导小组意见：
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