PFI氫燃料內燃機NOx排放特性的試驗研究*

段俊法，劉福水，孫柏剛

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

前言

氫燃料清潔環保，是應對排放法規日益嚴格和車用燃料枯竭的一種有效對策［1］。氫氣應用于內燃機無須對動力系統做過多的改動，是現階段氫燃料最可能用于車輛的方式［2］。寶馬、福特都已開發了進氣道燃料噴射(PFI)氫內燃機，曼公司組成的氫燃料內燃機試驗公交車隊已經累計運行了超過200萬 km［3－5］。

氫氣用作內燃機燃料時碳排放為零，但由于氫燃燒的溫度高，會產生高濃度的NOx排放，因而研究NOx的排放特性和控制方法是氫內燃機研究的重要方向，得到了很多研究者的關注。一些研究者發現采用稀薄燃燒技術和優化點火提前角是抑制NOx排放的有效途徑［5－7］，另一些研究者發現采用廢氣再循環(EGR)可以顯著降低NOx排放［8－10］。這些研究提出了抑制NOx排放的有效方法，但還不夠系統和充分，沒有覆蓋氫內燃機的全部工況。

本文中在一臺4缸多點電噴汽油機基礎上，建立了進氣道燃料噴射(PFI)氫內燃機試驗系統，系統研究了氫內燃機NOx排放特性，分析了全工況范圍內NOx排放隨當量燃空比、點火提前角和EGR的變化關系，為尋找全工況范圍內抑制NOx排放策略提供依據。

1 試驗系統和方法

1.1 試驗用內燃機

試驗采用了一臺4缸多點電噴汽油機，其主要參數見表1。

表1 內燃機基本參數

在試驗用汽油機上增加了一套進氣道燃料噴射供氫系統。如圖1所示，氫氣以高壓儲存在鋼瓶里，經二級減壓后氫氣進入氫軌，氫軌上安裝有4個噴氫閥，在接到噴氫信號后將氫氣噴入對應的進氣道。氫軌的內徑經設計優化以較大的容積保證噴氫時氫軌內的壓力波動保持在2%以內。

EGR系統由EGR管路和EGR閥組成。EGR管路的入口在三效催化轉換器后方的排氣管上，出口在穩壓箱后方的進氣管上。EGR閥安裝在EGR管路入口處，調節EGR閥的開度改變再循環廢氣在進氣充量中的比例。

1.2 試驗設備

試驗設備包括試驗臺架和測試設備，試驗臺架由拖動電機、電渦流測功機、冷卻水和機油恒溫系統組成，實現正常起動和暖機，保證試驗中內燃機各種工況下的穩定工作。主要測試設備見表2。

表2 主要測量儀器

試驗中用空氣流量計測量空氣的質量流量，氫氣流量計測量氫氣的質量流量，從而得到當量燃空比。曲軸轉角傳感器精確測量內燃機的轉速，缸壓傳感器測量氣缸內部的瞬時壓力，并將測試數據傳輸至燃燒分析儀分析燃燒過程。排氣分析儀采樣通道安裝在排氣管上、三效催化轉化器前端，測量未經后處理廢氣中的NOx濃度。

1.3 試驗方法

內燃機由倒拖電機起動和暖機后穩定工作，試驗過程中冷卻水恒溫系統和機油恒溫系統保證水溫和機油溫度的變化在5℃以內。研究包含如下3部分。

第1部分研究當量燃空比對NOx排放的影響，在實驗中，保持發動機轉速和噴氫壓力不變，改變噴氫脈寬以改變當量燃空比。

第2部分研究點火提前角對NOx排放的影響，在確定工況下實現內燃機穩定工作，保持轉速和當量燃空比不變，改變點火提前角，測得此工況下NOx排放隨點火提前角變化的規律，改變轉速和當量燃空比，得到全部工況的NOx排放隨點火提前角的變化規律。

第3部分研究EGR對NOx排放的影響，在實驗中手動調節EGR閥，改變再循環廢氣的比例測得NOx隨EGR率的變化規律。

通常以EGR氣體質量占工質總質量的百分數來表示EGR率γ，即

式中:mair為進氣充量中的空氣質量;mEGR充量中的EGR氣體質量;mfuel為燃料質量。由于廢氣的溫度和壓力較高且波動較大，EGR的質量難以測量。

本試驗根據EGR前后空氣流量的變化來確定EGR率。

式中:Me表示某一工況下采用EGR時空氣流量計讀出的流量;Mair表示不采用EGR時的空氣流量。

2 試驗結果和討論

2.1 當量燃空比對NOx排放的影響

圖2為試驗得到的不同轉速下，當量燃空比和NOx排放的關系曲線。各個轉速下NOx濃度隨當量燃空比變化的規律都很接近:在當量燃空比小于0.5時，NOx濃度隨當量燃空比增大緩慢上升，但均不超過500×10－6;在當量燃空比0.5～0.7之間，NOx濃度隨當量燃空比增大急劇上升;在當量燃空比0.7～0.9之間出現在φ接近1時出現8 000× 10－6～10 000×10－6的排放峰值;在當量燃空比接近1時，NOx排放的濃度迅速降低，當量燃空比φ達到1.1時，NOx濃度已經降低到300×10－6左右。

轉速不改變NOx排放隨當量燃空比變化的趨勢，但影響NOx排放的峰值濃度和峰值出現的位置。轉速越高，NOx排放的峰值濃度越大，但峰值濃度隨轉速增加的幅度不大:轉速從1 000r/min增加到5 000r/min時，排放峰值濃度僅從8 400×10－6增高到9 400×10－6。轉速越低，出現排放峰值的當量燃空比越小:在1 000r/min，出現排放峰值(8 000× 10－6)時的當量燃空比僅為0.7，而在5 000r/min時，出現排放峰值的燃空比接近0.9。

缸內溫度影響NOx的生成，由于缸內溫度無法直接測量，試驗測取排氣溫度來分析缸內溫度。如圖3所示，在轉速為2 000r/min時，當量比小于0.5，排氣溫度低于197℃，而在當量燃空比大于0.7時，排氣溫度超過577℃。缸內溫度和排氣溫度的變化規律是一致的，在當量燃空比達到0.7時，缸內溫度也達到很高的溫度。

缸內溫度升高的原因在于:在當量燃空比小于1時，隨著當量燃空比的增大，每個工作循環進入氣缸的氫燃料增多，由于氣缸內工質的總熱容幾乎不變，而氫氣的燃燒值很高，因此氣缸內的溫度隨著當量燃空比的增大迅速升高。

氮氣的性質在常溫時接近惰性氣體，但當溫度升高一定程度后其活性迅速增加，開始和O2發生反應，因而溫度是燃空比較大時出現NOx排放的內在原因。一些研究者發現隨著溫度升高，NOx的生成以指數規律急劇增加［5］。因而當量燃空比增大到一定程度后NOx排放濃度急劇上升。

在當量燃空比接近和超過1時，由于氫氣濃度很高且其活性遠大于氮氣，混合氣中的氧氣優先和氫氣發生反應，因此NOx濃度會隨著當量燃空比的增加而急劇下降。

2.2 點火提前角對NOx排放的影響

圖4為不同轉速和當量燃空比條件下，NOx濃度隨點火提前角變化的關系曲線。由于當量燃空比小于0.5時NOx排放濃度很低，而當量燃空比大于0.7時，不發生回火的點火提前角范圍很小，本文中僅研究了當量燃空比在0.5～0.7范圍內點火提前角和NOx排放的關系。

由圖4可知，NOx排放的濃度隨點火提前角減小而降低，這種作用受轉速和當量燃空比的影響。轉速越低，點火提前角對NOx排放的影響越顯著。在1 000r/min時，點火提前角減小15℃A，NOx排放降低了接近4 000×10－6。而在5 000r/min時，NOx排放幾乎不隨點火提前角的變化。

當量燃空比越大，減小點火提前角、降低NOx排放的作用越明顯，在1 000 r/min，當量燃空比0.62時，點火提前角減小20℃A，NOx排放濃度降低接近4 000×10－6。而在當量燃空比0.50時，點火提前角減小20℃A，NOx排放濃度僅降低200×10－6。

點火提前角越大，氫氣在氣缸內的燃燒越充分，因而氣缸內的溫度越高，NOx排放的濃度也越高。減小點火提前角可有效降低NOx排放濃度。

先前的一些研究認為點火提前角減小會造成熱效率降低［5－7］。為了深入分析點火提前角對效率的影響，試驗分析了2 000r/min時點火提前角和燃燒持續期及熱效率的關系，如圖5所示。

由圖5可知，減小點火提前角，從20℃A減小到5℃A，由于氫氣的燃燒速度很快，燃燒持續期僅增加了2.8℃A，從40.6℃A增大到43.4℃A，指示熱效率僅從最高的41.4%下降到39.2%。可見在一定范圍內減小點火提前角對熱效率的影響并不顯著，因而減小點火提前角是降低NOx的一種有效方法。

2.3 熱EGR對NOx排放的影響

傳統內燃機采用EGR稀釋燃料和氧氣濃度，增大工質的總熱容，并通過中冷器降低廢氣溫度，從而降低NOx排放。而氫燃料內燃機中的殘余廢氣主要是水蒸氣，經冷卻后廢氣成分主要是N2，工質的總熱容偏小，因而采用了非中冷的熱EGR系統。

試驗發現EGR能降低NOx排放，其作用效果決定于EGR率。圖6給出了轉速1 000r/min，不同EGR率時NOx排放隨燃空比變化的曲線。EGR率越大，NOx排放峰值和高濃度區的范圍均減小，采用15%的EGR率，峰值從8 000×10－6降至3 200× 10－6，下降了約60%;采用30%的EGR率，NOx排放峰值降至1 500×10－6，下降了約80%，而在EGR率40%時，NOx排放峰值已經低于300×10－6，可以不經后處理直接排放。

引入EGR以后，同樣當量燃空比下氫燃料和純空氣在全部進氣充量中的占比降低，因而燃燒的放熱量減少，而此時混合氣體含有比熱容較大的H2O蒸汽，總的比熱容有所增大，因此缸內工質的溫度明顯降低，進而造成NOx濃度也大幅度降低，且NOx排放峰值位置提前。

由于采用較大的EGR率降低了氣缸內的溫度，故此時氫內燃機的熱效率有所降低，燃料經濟性有所下降。

轉速影響對EGR的作用效果，如圖7所示。在1 000r/min低轉速下，15%的EGR率可使NOx峰值濃度降低60%。而在1 500、3 000和4 500r/min轉速下，NOx排放峰值僅降低了20%。可見在低轉速時EGR降低NOx排放的能力更強。

3 結論

(1)當量燃空比是決定氫燃料內燃機NOx排放濃度的主要因素，在當量燃空比小于0.5和大于1.0時，NOx排放濃度很低。當量燃空比等于0.6～1.0時NOx排放濃度很高，峰值濃度達到8 000×10－6～10 000×10－6。高轉速時，NOx排放的峰值濃度更高。

(2)在當量燃空比0.5～0.65之間，減小點火提前角會使NOx排放顯著降低，在較大當量燃空比時更為明顯。在低轉速時，減小點火提前角對降低NOx排放的效果更為顯著。實驗發現減小點火提前角對效率的影響并不顯著。

(3)采用EGR可以顯著降低NOx排放濃度。EGR率越大，EGR降低NOx排放峰值和高濃度區的范圍的作用越顯著。轉速越低作用越顯著。

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