SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：为探索氢发动机热效率提升及超低氮氧化物排放的技术路径，基于一台1.5 L缸内直喷氢气发动机，结合废气涡轮增压及电子增压复合技术，通过试验研究了氢气在稀薄燃烧及超稀薄燃烧模式下发动机燃烧和排放的变化规律。结果表明：在稀燃模式下，随着混合气稀释程度增大，缸内压力越来越高并前移，放热率峰值逐渐下降同时放热始点提前和放热时长变长，缸内燃烧温度下降，燃烧滞燃期和持续期逐渐变长，压升率下降；λ对NOx排放的影响显著，λ=1.2时NOx排放达到峰值，λ＞2.5时，NOx排放基本趋于0；在同样的负荷，较稀的混合气的热效率更高且NOx排放更低，有效热效率达43%；全负荷时，随着λ趋向于1，扭矩逐渐升高，爆发压力和压升率也会明显上升。
关键词：直喷氢气；稀薄燃烧；氮氧排放；热效率
Influence of Hydrogen Direct Injection on Engine Combustion and Emission
Li Yunhong，Wu Weilong，Yu Shibo，Chen Hong，Du Jiakun，Li Yuhuai
(GAC Automotive Research&Development Center,Guangzhou 511434,China)
Abstract:In order to explore technology path of increasing the thermal efficiency of hydrogen internal combustion engine and achieving the ultra-low NOx emissions,based on a 1.5 L in-cylinder direct-injection hydrogen engine,the technology of exhaust gas turbocharger and electronic boost were combined,then the combustion and emissions characteristics of hydrogen in lean-burn and ultra-lean burn conditions were studied through experiments.The results show that as the mixture concentration decreases in lean-burn mode,the in-cylinder pressure becomes higher and moves forward,the peak heat release rate gradually decreases,and the heat release start point advances and the heat release time becomes longer,and combustion temperature decreases,the ignition delay and duration of combustion gradually become longer,and the pressure rise rate decreases;the influence ofλon NOx emission is obvious,whenλ=1.2,NOx emission reaches its peak value,whenλis greater than 2.5,NOx emission basically tends to zero;at the same load,the leaner mixture has higher thermal efficiency and lower NOx emission,and the max effective thermal efficiency is 43%;at full load,asλmoves toward 1,the torque gradually increases,and the max pressure and pressure rise rate also increase significantly.
Key words:hydrogen direct injection;lean-burn;nitrogen and oxygen emission;thermal efficiency
0引言
随着汽车工业的不断发展，汽车保有量的不断增加带来了全球性的能源危机和环境污染。寻找无碳或低碳、可持续的可再生能源越来越受到人们的重视。量大面广的内燃机肩负着节能减排的重要使命，同时面临着实现碳中和的巨大挑战。由于不含CO、CO2和HC且可由多种途径获得[1]，氢气可作为未来动力系统的二次燃料及替代能源，是应对全球变暖和常规能源短缺的最佳途径之一[2-4]。同时，氢气具有热值高、扩散系数高、可燃极限范围宽、绝热火焰温度高、火焰传播速度快、点火能量低等特点，可作为一种理想的燃料用于内燃机[5-6]。
氢气是所有现存气体中密度最低的气体，当内燃机采用进气道喷氢的方式工作时，氢气会占据进气歧管中的新鲜空气的体积，影响发动机的充气效率，从而降低发动机的功率输出[7]。LUO等[8]的研究表明，一台2.0 L四冲程进气道喷氢发动机在6 000 r/min时的最大功率比同尺寸汽油发动机的功率小。宝马和福特公司在不同的进气道喷氢发动机上也获得了相似的结果[9-10]。此外，进气道回火的产生也是进气道喷氢发动机面临的挑战[11-12]。LIU等[13]的研究发现回火引发的燃烧会导致进气歧管压力增加，最终导致气门系统的损坏。LEE等[14]的研究表明，为消除回火而采用的稀混合气，会对发动机的性能输出产生不利影响。因此，为尽可能避免产生回火的同时保证发动机的性能输出，采用缸内直喷氢气的方式成为目前研究的重点[15-16]。
与传统燃料相比，氢气具有更高的扩散系数，其与空气可实现更快速的混合，形成更为均匀的混合气，燃烧速度非常快。氢气的层流火焰速度为230 cm/s，约是传统燃料汽油或者柴油的5倍[17]，一方面有利于发动机效率的提升，另一方面，高的燃烧速率导致峰值温度和压力升高，不利于NOx的生成[18-20]。因此，NOx的排放问题也成为了内燃机燃烧氢气的挑战。但氢气具备极快的火焰传播速度和宽广的可燃极限，可使发动机稳定运行在极小的过量空气系数条件下，有利于缸内混合气温度的降低以及传热损失的大幅下降，这有利于降低NOx排放，同时有利于抑制发动机爆震及降低泵气损失，可进一步增大发动机的有效热效率[21-22]。因此，氢气发动机结合稀薄燃烧技术成为降低NOx及提升热效率的有效手段。DAS[23]的研究表明，氢内燃机在较大的过量空气系数λ条件下运行时，NOx排放量较低。MASAKUNI等[24]通过增压技术优化喷油时刻和燃气稀释比，抑制了NOx排放的增加同时保证了热效率水平。LUO等[25]对比了采用涡轮增压技术的氢气发动机和汽油机，发现在特定条件下，NOx排放可接近0。相关研究结果均表明采用氢气稀薄燃烧技术对于提高发动机热效率、提高功率输出以及实现极低的NOx排放具有关键作用。
根据以上背景，为深入分析缸内直喷氢气结合稀薄燃烧及超稀薄燃烧对发动机燃烧过程及排放物生成的影响规律，基于1台1.5 L氢气缸内直喷内燃机开展相关研究，并结合废气涡轮增压及电子增压复合增压技术，实现发动机超稀薄燃烧模式，以此探索氢发动机热效率提升及超低氮氧化物排放的技术路径，为高效、清洁、低碳排放氢发动机开发提供基础研究数据及参考。
1试验对象及测试设备
试验用氢直喷内燃机是基于1台1.5 L三缸、四冲程直列米勒增压直喷汽油机改制而来的，其主要结构参数见表1。主要改造工作包括：原机缸盖针对氢喷嘴安装孔做适应性变更；取消原机高压油泵，油轨总成替换为氢轨总成；设计加工铝制进气歧管；增加外挂氢喷嘴驱动模块。同时，为实现氢气缸内直喷，将专用氢气直喷喷射器替代原安装于进气道下方的直喷汽油喷油器，通过高压管路引入压力约为1.6 MPa的氢气，保证足够的氢气供应量。通过ECU调节氢喷射器启喷脉宽，实现氢气量的实时调控，以满足试验需要。
试验中采用的发动机台架测控系统主要包括1台湘仪公司的GW160型测功机系统、普联测器公司的FC2210油耗仪及进气温度中冷单元，采用德国RHEON‐IK公司的气体质量流量计实现氢气流量的实时精确测量。采用Kistler火花塞式缸压传感器测量燃烧过程缸内压力，并利用AVL Indicom系列燃烧分析仪对缸内压力信号及燃烧过程示功图进行采集和分析。为保证试验数据的重复性，每个工况点均采集200个循环并通过求取平均值、滤波的形式提取各关键燃烧特征参数值。利用AVL FTIR型尾气分析仪对发动机排放物进行分析测量。试验整体台架布置如图1所示。
试验过程中通过调节点火时刻使发动机工作在爆震边界或燃烧相位(AI50)为压缩上止点后(ATDC)6°CA左右，此时热功转化过程最优。控制200个循环IMEP的循环变动率(COV)在3%以内。热效率基于循环喷氢总量计算求得。文中燃烧持续期(AI10-90)定义为10%累积放热量到90%累积放热量的曲轴转角，AI50定义为50%累积放热量对应的曲轴转角，即燃烧中心。
2试验结果及分析
2.1氢气对发动机稀燃模式下燃烧过程的影响
试验条件为发动机转速2 500 r/min，平均有效压力0.8 MPa。每个工况点喷氢相位固定，喷射压力设定为1.6 MPa，点火角调整到燃烧重心至最佳位置或爆震边界，过量空气系数从1.0扫描到2.9。图2所示为氢气在稀燃模式下的缸压和瞬时放热率。由图可知，随着混合气稀释程度增大，爆发压力越来越高同时缸压往前移，放热率峰值逐渐下降同时放热始点前移，放热时长变长。主要原因是混合气稀释程度增大后，缸内空气量增加和点火角可以往前提，燃烧速度明显下降，燃烧放热变缓、持续期变长。氢气在稀燃模式下的缸内燃烧温度如图3所示。由图可知，随着混合气稀释程度增大，缸内燃烧温度逐渐下降。主要原因是混合气稀释程度增大后，缸内空气量增加，增加部分非燃烧过程本身所需，这部分额外空气在燃烧过程吸热，导致燃烧过程平均工质温度下降。
图4所示为稀燃模式下的燃烧重心、持续期和滞燃期。由图可知，在稀燃模式下，氢气燃烧滞燃期和持续期随着混合气稀释程度增大而逐渐变长；燃烧重心在很宽的范围内都能保持在最佳位置，当λ靠近1时，燃烧重心会偏离最佳位置。氢气在稀燃模式下的燃烧稳定性和压升率如图5所示。由图可知，随着混合气浓度变稀，燃烧稳定性稍微恶化，但整体较好，压升率逐渐下降。
2.2不同负荷工况下过量空气系数对燃烧及排放的影响
部分负荷工况，试验条件为发动机转速2 500 r/min，平均有效压力分别为0.2、0.5、0.8、1.1 MPa，对于每个工况点喷氢相位固定，喷射压力设定为1.6 MPa，点火角调整到燃烧重心至最佳位置或爆震边界。过量空气系数从0.8扫描到3.2。图6所示为节气门开度和进气量的变化趋势。由图可知，随着混合气浓度减小，为保持负荷不变，节气门开度不断增加，进气量逐渐增加，平均有效压力为0.5 MPa时，λ>2后节气门接近全开，平均有效压力为0.8 MPa时，λ>1.2后，节气门接近全开。有效热效率随λ的变化如图7所示。由图可知，有效热效率随λ的增加先增加后趋于稳定。主要原因是稀燃后节气门开度增加，进气压力增加，泵气损失减少，如图8所示；另外，随着λ增加，缸内空气量增加，缸内燃烧过程平均工质温度下降(如图3所示)，从而使得壁面传热损失和排气能量损失也相对降低，因此有效热效率随着λ增加而增加。试验工况下有效热效率达到43%。
燃烧重心AI50随λ的变化如图9所示。由图可知，压力为0.2、0.5 MPa时的AI50在所有工况均能保持在最佳位置6°~10°，当负荷大于等于0.8 MPa和λ小于1.4时，因为爆震不得不推迟点火角，AI50偏离最佳位置去到16°。图10所示为COV的变化趋势。由图可知，由于可燃混合气浓度范围宽和燃烧速度快，允许非常稀的氢空混合气稳定燃烧，但是λ＞2.5时，燃烧稳定性会较明显恶化，小负荷尤其显著。
NOx排放随λ的变化如图11所示。由图可知，λ对NOx排放的影响显著，所有负荷的NOx排放在λ>2.5时基本趋于0；λ<2.5时，NOx排放会激增λ=1.2时，NOx排放达到峰值，主要原因是随着浓度的增加，缸内最高燃烧温度越来越高(如图3所示)；随着λ进一步减小，NOx排放会相对下降，主要原因是可与氮气反应的氧含量下降。由此可见，部分负荷稀燃模式运行策略应尽量避免λ在[1.0，2.5]。在同样的负荷下，较稀的混合气可以获得更高的热效率和更低的NOx排放，因此氢发动机的运行策略应该充分利用中低负荷的稀燃能力。
3结论
本文基于1台1.5 L缸内直喷氢气发动机进行了相关研究，得到如下结论：
(1)发动机燃用氢气时可在较稀的混合气下正常运行。在稀燃模式下，随着混合气稀释程度增大，缸内压力越来越高并前移，放热率峰值逐渐下降同时放热始点提前和放热时长变长，缸内燃烧温度下降，燃烧滞燃期和持续期逐渐变长，压升率下降。
(2)采用稀薄燃烧模式，增大了节气门开度，有助于降低泵气损失，提高了有效热效率，试验所选工况下，发动机有效热效率可达43%。
(3)稀燃过程对NOx排放影响较为显著，在λ=1.2时NOx排放达到峰值，在λ＞2.5时，NOx排放基本趋于0，燃烧稳定性会有较明显恶化。在同样的负荷下，较稀的混合气可以获得更高热效率和更低NOx排放，因此氢内燃机应充分利用中低负荷的稀燃能力。
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