吳穎，莊遠(yuǎn)

合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

0 引言

隨著化石燃料的枯竭和內(nèi)燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，可替代汽油燃料的清潔和可再生能源越來越受關(guān)注。氫氣作為一種可再生清潔能源，具有比汽油更優(yōu)秀的燃燒品質(zhì)，更適合在發(fā)動機(jī)中使用。與汽油機(jī)相比，氫氣的點(diǎn)火能量更低，有利于減少發(fā)動機(jī)點(diǎn)火的能量損失，降低發(fā)動機(jī)冷起動時點(diǎn)火要求；氫氣的層流火焰速度更快(比汽油約快5倍)，使發(fā)動機(jī)做功循環(huán)更接近理想狀態(tài)，有利于提高發(fā)動機(jī)熱效率；氫氣的失火距離更短，燃料燃燒更充分，有利于降低HC與CO排放；氫氣的燃燒范圍更大，有利于延長發(fā)動機(jī)的稀燃極限。但氫氣的能量密度低，單位體積的混合氣動力輸出降低；氫氣的絕熱火焰溫度較高，導(dǎo)致NOx排放增加；氫氣也可能導(dǎo)致回火等異常燃燒。氫氣與汽油的物理化學(xué)性能如表1所示。

表1 氫氣與汽油的物理化學(xué)性能

氫氣儲存困難、加氫基礎(chǔ)設(shè)施不完備等限制了純氫內(nèi)燃機(jī)的大規(guī)模使用，目前氫氣更適合作為發(fā)動機(jī)的添加燃料，用來改善發(fā)動機(jī)燃燒和排放過程。

氫氣噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氫氣與汽油的混合，通常安裝在進(jìn)氣歧管或者氣缸蓋中，安裝位置會影響引流效果、缸內(nèi)燃料分布以及燃燒和排放特性。

北京理工大學(xué)對氫氣進(jìn)氣道噴射(hydrogen port injection, HPI)與汽油進(jìn)氣道噴射(gasoline port injection, GPI)模式進(jìn)行了研究[1-2]，研究表明：小負(fù)荷時，添加氫氣會使發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)實(shí)際平均有效壓力(brake mean effective pressure，BMEP)增加；大負(fù)荷時，由于進(jìn)氣道中氫氣占據(jù)了空氣的體積，造成了泵氣損失，因此摻氫后發(fā)動機(jī)的BMEP減小。文獻(xiàn)[3]表明，在低負(fù)荷稀燃條件下，摻氫可以將汽油機(jī)稀燃的過量空氣系數(shù)λ極限提高到2.55，降低發(fā)動機(jī)的循環(huán)壓力變動，提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]表明：HC和CO排放隨摻氫比例增加而降低；但氫氣絕熱火焰溫度高，摻氫使得NOx排放增加80%。文獻(xiàn)[5]表明，大負(fù)荷時HPI模式造成了發(fā)動機(jī)回火。文獻(xiàn)[6]表明：以純氫作為冷起動的燃料，起動開始的100 s內(nèi)，HC和CO排放與相同負(fù)荷的汽油機(jī)相比分別減少94.7%和99.5%。

氫氣缸內(nèi)直接噴射(hydrogen direct injection, HDI)更容易形成可控的缸內(nèi)氫氣分層分布。吉林大學(xué)對一臺1.8 L汽油缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection，GDI)水冷四缸機(jī)進(jìn)行改裝，將原有的汽油噴射系統(tǒng)改為氫氣噴射系統(tǒng)安裝到進(jìn)氣歧管上，研究發(fā)現(xiàn)，缸內(nèi)直噴氫氣可以加速火核的形成，縮短燃燒持續(xù)期，擴(kuò)大稀燃極限[7]。文獻(xiàn)[8]表明，不同的噴射策略會對燃燒和排放結(jié)果造成較大的影響，噴氫壓力過大會導(dǎo)致火花塞附近流速較大，影響初期燃燒過程。文獻(xiàn)[9-10]在稀燃條件下進(jìn)行3種不同的噴射方式對比，證明GPI-HDI模式的熱效率最高。文獻(xiàn)[11]表明：火花塞附近的氫氣濃度是影響燃燒速率和稀燃穩(wěn)定性的主要因素；噴氫時刻為上止點(diǎn)前120°時，火花塞附近的氫氣濃度最大。文獻(xiàn)[12]證明了氫氣多次噴射的優(yōu)越性，通過控制兩次噴射氫氣比例，調(diào)節(jié)火花塞與缸內(nèi)氫氣濃度，可提高效率，降低排放。文獻(xiàn)[13]將廢氣再循環(huán)(exhaust gas re-circulation，EGR)與摻氫汽油機(jī)結(jié)合使用，結(jié)果表明，摻氫使得發(fā)動機(jī)的EGR率超過30%，有效抑制了NOx排放。

提高火焰早期發(fā)展速度，能有效提高發(fā)動機(jī)的熱效率，提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性。提高發(fā)動機(jī)火花塞附近氫氣濃度可以加速火焰早期燃燒，實(shí)現(xiàn)火花塞附近富集高濃度的氫氣需要增加噴氫量，但目前的氫儲存技術(shù)限制了在實(shí)車中應(yīng)用大流量的氫氣。進(jìn)入氣缸的氫氣過多，會導(dǎo)致缸內(nèi)高溫區(qū)域增加，NOx排放增加。文獻(xiàn)[14-15]在氫直噴發(fā)動機(jī)中對氫氣缸內(nèi)直噴位置進(jìn)行了獨(dú)特的設(shè)計，使氫氣噴射方向正對火花塞位置，結(jié)果表明該設(shè)計可以大幅度降低NOx排放，提升熱效率。

本文中設(shè)計了氫氣射流引導(dǎo)系統(tǒng)，在火花塞上增加氫氣噴射孔，使氫氣從火花塞進(jìn)入氣缸，形成火花塞附近氫氣濃度高、缸內(nèi)其他區(qū)域氫氣濃度低的混合氣分層結(jié)構(gòu)，有助于火焰早期形成良好火核，優(yōu)化燃燒過程，降低NOx排放。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

在某公司生產(chǎn)的1.5 T GDI發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，加裝氫氣噴射系統(tǒng)，燃油噴射系統(tǒng)與氫氣噴射系統(tǒng)相互獨(dú)立，可以在HDI與GDI噴射模式之間靈活切換。發(fā)動機(jī)電子控制單元(electronic control unit, ECU)控制燃油噴射、點(diǎn)火、工作狀態(tài)和信號采集。氫氣噴射由獨(dú)立的氫氣ECU控制，根據(jù)共軌壓力，通過改變復(fù)式電子閥的脈寬和周期，控制進(jìn)入氣缸的氫氣流量；通過接入曲軸和凸輪軸信號調(diào)節(jié)開啟電子閥的時刻來控制噴氫提前角。發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速由CW160渦流測功機(jī)控制，通過FST-OPEN測量和控制系統(tǒng)記錄瞬時轉(zhuǎn)矩、功率和排氣溫度；Kistler 6115B型缸壓傳感器采集缸壓信號，經(jīng)電荷放大器放大后輸入AVL IndiCom燃燒分析儀；Kistler 2614CK1型光電編碼器采集曲軸轉(zhuǎn)角信號；Horiba公司的MEXA584L氣體分析儀采集排放數(shù)據(jù)，檢測CO、CO2、HC、NOx等常規(guī)排放。試驗(yàn)主要測量參數(shù)及設(shè)備如表3所示。

表3 試驗(yàn)參數(shù)及測量精度、設(shè)備

氫氣噴射系統(tǒng)由帶穩(wěn)壓裝置的氫氣發(fā)生器、數(shù)字式質(zhì)量流量計、噴氫共軌總成和帶噴氫孔的火花塞組成。用氫氣瓶代替壓力罐，氫氣瓶能提供的最大噴氫壓力為15 MPa，通過減壓閥調(diào)整噴氫共軌壓力。數(shù)字式質(zhì)量流量計采用D08-1F型流量顯示儀和氣體質(zhì)量流量控制器(mass flow controller, MFC)。噴氫共軌總成采用發(fā)動機(jī)原有的噴油共軌總成，將來自儲氫罐的氫氣分配到4個氣缸。共軌總成由復(fù)式電磁閥、壓力活塞、噴嘴組成。通過控制復(fù)式電磁閥控制噴射脈寬、噴射時刻與噴射頻率。氫氣直噴系統(tǒng)的火花塞采用Kistler 6115C型測量火花塞，在火花塞上加工與噴射器相連的噴氫孔，使氫氣通過火花塞直接噴入氣缸?；鸹ㄈ⒖讎姎湫螤钊鐖D1所示。

圖1 火花塞微孔噴氫示意圖

試驗(yàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1600 r/min，節(jié)氣門開度為35%，噴氫壓力為6 MPa，噴氫時刻為上止點(diǎn)前40°，保證火花塞附近形成良好的分層混合氣，改善汽油機(jī)的性能。過量空氣系數(shù)λ為實(shí)際進(jìn)氣量與噴入氣缸氫氣和汽油理論燃燒所需空氣量的比值：

λ=qm,air/(qm,h·σh+qm,gas·σgas) ，

式中：qm,air為空氣質(zhì)量流量；qm,h為氫氣的質(zhì)量流量；qm,gas為汽油的質(zhì)量流量；σh為氫氣當(dāng)量比燃燒時對應(yīng)的空燃比，σh=34.3；σgas為汽油當(dāng)量比燃燒時對應(yīng)的空燃比，σgas=14.6。

采用寬波段傳感器測量尾氣中氧氣濃度，通過比較尾氣中氧氣含量和空氣中氧含量來確定過量空氣系數(shù)，定義摻氫比φh為氫氣熱值占總熱值的比例：

φh=Qh/(Qh+Qgas) ，

式中：Qh為噴射到氣缸的氫氣熱值，Qgas為噴射到氣缸的汽油熱值。

對于不同的φh保持汽油和氫氣的總熱值恒定。

試驗(yàn)分兩部分：1)固定噴氫周期，對氫氣噴射流量進(jìn)行標(biāo)定，得出脈寬、轉(zhuǎn)速以及流量對應(yīng)的map圖，準(zhǔn)確計算出試驗(yàn)方案中φh對應(yīng)的噴氫脈寬；2)選取6個λ(1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5)、7個φh(0、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%)進(jìn)行測試，由燃燒分析儀和氣體分析儀分別采集燃燒和排放參數(shù)數(shù)據(jù)，對發(fā)動機(jī)的燃燒特性和排放特性進(jìn)行分析。

2 燃燒特性

2.1 指示熱效率

汽油機(jī)的實(shí)際加熱循環(huán)接近定容加熱循環(huán)，加熱循環(huán)的指示熱效率與壓縮比、絕熱指數(shù)成正比。隨著空燃比增加，混合氣中空氣所占比重增加，混合氣的絕熱指數(shù)越來越接近空氣的絕熱指數(shù)，當(dāng)空燃比無限大時，熱效率達(dá)到最大。氫氣火焰速度快，可在較短時間內(nèi)完全燃燒，加熱循環(huán)更接近理論定容加熱循環(huán)。

不同φh時λ對指示熱效率的影響如圖2所示。

圖2 不同φh時λ對指示熱效率的影響

由圖2可知：當(dāng)λ不變時，指示熱效率隨著φh的增加而增大；當(dāng)λ<1.2時，φh<3.0%時的指示熱效率隨φh的增加而明顯增大，但φh>3.0%時的指示熱效率變化較小，這是因?yàn)棣溯^小時，火花塞局部氧含量較低，不足以支持較多的氫氣完全燃燒；當(dāng)λ>1.3時，指示熱效率隨φh的增加明顯增大。當(dāng)φh不變時，指示熱效率隨λ的增加先增大后減小，這是因?yàn)殡S著λ增加，混合氣的絕熱指數(shù)增加，但當(dāng)λ繼續(xù)增大時，稀燃造成燃燒的惡化，指示熱效率隨著λ增加急劇下降。

發(fā)動機(jī)摻混氫氣后各工況的指示熱效率均高于不摻混氫氣的指示熱效率，說明火花塞微孔摻氫能抵消稀燃對發(fā)動機(jī)的不利影響，顯著提高發(fā)動機(jī)熱效率。

2.2 氣缸壓力

燃燒速率和最大壓力隨著λ增大明顯降低。由于獨(dú)特的噴氫位置，使得火花塞附近更容易形成良好的混合氣，有助于形成良好火核，改善火焰早期發(fā)展進(jìn)程。在稀薄燃燒模式下，添加氫氣可以加快燃燒速度，抑制稀燃的負(fù)面作用，與純汽油相比，噴氫可以使得最大缸壓明顯提高。不同φh、λ時發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力如圖3所示，不同φh時λ對發(fā)動機(jī)缸壓峰值和峰值相位的影響如圖4所示。

圖3 不同φh、λ時發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力

由圖3、4可知，當(dāng)λ較小時，由于缸內(nèi)氧濃度限制，摻氫加速混合氣燃燒速度效果不明顯；當(dāng)λ=1、φh=3.5%時，最大缸壓增加11.45%，峰值相位提前了2.8°；但φh進(jìn)一步增加時，最大缸壓無明顯變化，這是因?yàn)楫?dāng)噴氫壓力恒定時，噴氫量由噴氫持續(xù)期控制，早期噴射的氫氣向缸內(nèi)四周擴(kuò)散，而后期噴射的氫氣主要集中在火花塞附近。通過調(diào)節(jié)脈寬與噴氫時刻可以形成合理的氫氣分層狀況。

a)缸壓峰值 b)缸壓峰值相位 圖4 不同φh時λ對發(fā)動機(jī)缸壓峰值和峰值相位的影響

在稀燃模式下，最大缸壓隨著λ的增加先增大后減少，當(dāng)λ=1.2時達(dá)到峰值，稀燃模式下火花塞附近的氧含量增大，燃燒更充分，缸壓達(dá)到最大，顯示發(fā)動機(jī)最佳的運(yùn)行工況；隨著λ繼續(xù)增大，混合氣燃燒速度降低，缸壓開始下降；當(dāng)λ=1.5、φh=5.0%時，最大缸壓與純汽油模式相比增加了43.70%，峰值相位提前了6.2°，比λ=1時純汽油模式對應(yīng)的缸壓峰值高6.1%，峰值相位提前2.7°，說明φh=5.0%時能較大程度抵消稀燃的不利影響，使發(fā)動機(jī)正常穩(wěn)定工作。

2.3 燃燒持續(xù)期

定義從點(diǎn)火到10%熱釋放時燃燒持續(xù)時間對應(yīng)的曲軸相位為T0,10，10%到50%熱釋放時燃燒持續(xù)時間對應(yīng)的曲軸相位為T10,50，10%到90%熱釋放時燃燒持續(xù)時間對應(yīng)的曲軸相位為T10,90，T0,10代表早期火焰發(fā)展和傳播，直接影響發(fā)動機(jī)的熱效率。燃燒持續(xù)時間越長，通過氣缸壁的熱量損失越大。不同φh時λ對燃燒持續(xù)期的影響如圖5所示。

a)T0,10 b)T10,50 c)T10,90 圖5 不同φh時λ對燃燒持續(xù)期的影響

由圖5可知，當(dāng)λ不變時，隨著φh增大，燃燒持續(xù)時間減??；與純汽油模式(φh=0)相比，φh=2.5%時燃燒持續(xù)時間平均減少了2.3°，φh= 3.0%時燃燒持續(xù)時間平均減少了5.2°，但φh進(jìn)一步增大時燃燒持續(xù)時間降低不明顯?？焖偃紵谟兄愃频淖兓?guī)律，當(dāng)φh>3.0%時，火花塞附近混合氣的主要成分為氫氣，燃燒速度主要取決于氫氣的火焰速度，所以φh增大無法大幅度增加混合氣燃燒速度。當(dāng)φh不變時，在純汽油模式下燃燒持續(xù)期隨λ增大迅速增大；當(dāng)φh>3.0%時，T10, 50與T10, 90增速放緩，說明一定比例摻氫可以部分抵消稀燃對燃燒的惡化。

2.4 循環(huán)變異系數(shù)

循環(huán)變異系數(shù)是限制發(fā)動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)和穩(wěn)定性的重要因素之一，本文中將指示平均有效壓力(indicated mean effective pressure, IMEP)的協(xié)方差CIMEP作為衡量循環(huán)變異系數(shù)的指標(biāo)。不同φh時λ對循環(huán)變異系數(shù)的影響如圖6所示。

圖6 不同φh時λ對循環(huán)變異系數(shù)的影響

由圖6可知，純汽油模式下，隨著λ增加，各工況的CIMEP均增加，當(dāng)λ>1.3時，CIMEP>2%，發(fā)動機(jī)開始處于不穩(wěn)定燃燒；與純汽油模式相比，摻氫使得CIMEP明顯下降。對于所有工況，摻氫可以提高燃燒的穩(wěn)定性，少量的氫氣摻混(φh=3.5%)能補(bǔ)償稀燃對燃燒的不利影響，使得CIMEP降至2%以下。發(fā)動機(jī)循環(huán)變動的主要影響因素取決于火焰早期的形成，而火花塞微孔噴氫使得氫氣噴入氣缸后向四周擴(kuò)散較少，氫氣主要富集在火花塞附近，由于氫氣的點(diǎn)火能量低，燃燒速度快，使得著火過程更加穩(wěn)定，降低了局部失火等不穩(wěn)定因素發(fā)生的概率。獨(dú)特的氫氣噴射結(jié)構(gòu)使較小摻氫比就能形成有利于燃燒的氫氣分層結(jié)構(gòu)，相比于進(jìn)氣道噴氫，火花塞噴氫可以更容易提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 排放特性

不同φh時λ對排放物體積分?jǐn)?shù)的影響如圖7所示。

a)CO排放 b)HC排放 c)NOx排放 圖7 不同φh時λ對排放的影響

由圖7a)可知，λ相同時，摻氫減少了混合燃料的碳含量，排放中CO的體積分?jǐn)?shù)隨著φh的增加而降低，增加φh可以加速氣缸中混合氣的燃燒速度，使CO完全氧化。當(dāng)量比燃燒時，摻氫明顯降低排放中CO的體積分?jǐn)?shù)，但當(dāng)φh>2.5%，繼續(xù)增大φh，排放中CO的體積分?jǐn)?shù)降低很??；稀燃模式下，摻氫對降低排放中CO的體積分?jǐn)?shù)影響較小，φh=5%時，與純汽油模式相比，排放中CO的體積分?jǐn)?shù)降幅小于0.1%，而稀燃導(dǎo)致排放中CO的體積分?jǐn)?shù)降低超過10%，所以影響CO排放的主要因素是混合氣的氧濃度。

由圖7b)可知，λ相同時，排放中HC的體積分?jǐn)?shù)隨φh的增大而降低。HC排放產(chǎn)生的主要原因是火焰碰壁后突然熄滅，未燃燒的混合氣隨著廢氣排出，氫氣的分子質(zhì)量小，更容易擴(kuò)散，降低了缸壁處發(fā)生碰壁失火的幾率；氫氣燃燒速度快，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高，加速HC的氧化。當(dāng)λ=1.5時，隨φh增加，排放中HC的體積分?jǐn)?shù)降低幅度最大，這是因?yàn)楦變?nèi)燃料過稀，增加φh可以避免失火和不穩(wěn)定燃燒。當(dāng)φh相同時，排放中HC的體積分?jǐn)?shù)λ的增加先降低后上升，λ=1.2時，排放中HC的體積分?jǐn)?shù)最低，這是因?yàn)殡Sλ增加，進(jìn)氣量增多使得缸內(nèi)氧濃度提高，有利于燃料的充分燃燒。但當(dāng)混合氣過稀時，燃料的燃燒速度降低，導(dǎo)致不完全燃燒增加，排放中HC的體積分?jǐn)?shù)增加。

由圖7c)可知，λ相同時，排放中NOx的體積分?jǐn)?shù)隨φh的增加而增大。NOx的生成主要取決于缸內(nèi)溫度、缸內(nèi)氧濃度、高溫停留時間。氫氣絕熱火焰溫度高，導(dǎo)致缸內(nèi)最大溫度上升，排放中NOx的體積分?jǐn)?shù)增加。不同工況下，排放中NOx的體積分?jǐn)?shù)隨λ先增大后減小。當(dāng)λ較小時，缸內(nèi)氧濃度較低，限制NOx生成；隨著λ增大，缸內(nèi)氧濃度提高，排放中NOx的體積分?jǐn)?shù)增加；當(dāng)λ進(jìn)一步增大時，缸內(nèi)混合氣燃燒速度降低，缸內(nèi)最高溫度下降，雖然摻氫使局部溫度有所升高，但缸內(nèi)大部分區(qū)域溫度明顯下降，使得排放中NOx的體積分?jǐn)?shù)大幅度下降。提高發(fā)動機(jī)稀燃極限是限制排放中NOx的有效手段，當(dāng)λ=1.1時，由于過量充氣系數(shù)較低，稀薄燃燒降低缸內(nèi)溫度不明顯，使得缸內(nèi)處于高溫富氧的狀態(tài)，因此排放中NOx的體積分?jǐn)?shù)最大。

4 結(jié)論

通過火花塞向缸內(nèi)直接噴入氫氣，優(yōu)化稀燃與摻氫的協(xié)同效應(yīng)，降低排放，提高氫氣的利用率以及發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和熱效率。

1)火花塞微孔噴氫可以有效改善汽油機(jī)稀燃工況的燃燒過程，φh<5%時發(fā)動機(jī)稀燃性能得到較大改善，降低了氫氣消耗，避免了噴氫可能導(dǎo)致的NOx排放過高。

2)摻氫能提高發(fā)動機(jī)混合氣燃燒速度，抑制稀燃的不利影響。峰值壓力隨著λ增大而降低，隨φh增加而升高；相同λ下，摻氫使得峰值相位提前，峰值相位隨λ增大而減少。稀燃會導(dǎo)致燃燒持續(xù)期增長，而摻氫能大幅度縮短燃燒持續(xù)期。

3)CIMEP隨著λ增加而增大，但隨著φh增加而減小，φh=3.5%時，CIMEP降至2%以下。

4)當(dāng)量比燃燒時，摻氫能明顯降低CO排放；發(fā)動機(jī)進(jìn)入稀燃后，摻氫能少量降低CO排放。

5)排放中HC的體積分?jǐn)?shù)隨著λ增加先降低后增加，λ=1.2時，排放中HC的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最低，摻氫能明顯降低排放中HC的體積分?jǐn)?shù)。

6)摻氫使排放中NOx的體積分?jǐn)?shù)少量增加，而稀燃可以顯著降低排放中NOx的體積分?jǐn)?shù)。利用稀燃和摻氫協(xié)同作用可以補(bǔ)償稀燃對于燃燒的阻礙，同時限制摻氫導(dǎo)致的NOx排放增加。