摻氫比和廢氣再循環率對天然氣發動機性能的影響

董永超，馬志豪，王 鑫，馬凡華

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2.清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

0 引言

天然氣摻氫(hydrogen enriched compressed nature gas，HCNG)燃料是在天然氣中摻入一定比例的氫氣，加快混合燃料的燃燒速率，拓寬混合燃料的稀燃極限，提高燃燒的定容度，進而使燃燒的效率得到提高[1-2]。由于氫氣制備成本高和氫氣發動機技術等方面的原因，天然氣摻氫混合燃料是氫能在發動機上應用比較有前途和較為可行的方式。

大量研究表明：天然氣摻氫雖然在增加熱效率的同時可以降低CO的排放，但是過高的燃燒溫度同時也導致了NOX排放的增加[3-6]。目前，降低HCNG發動機NOX排放的主要方法是采用廢氣再循環(exhaust gas recirculation,EGR)技術和稀燃技術。文獻[7-8]在一臺天然氣摻氫發動機上結合EGR技術進行了發動機的燃燒和排放特性試驗，研究結果表明：引入EGR后可以在一定程度上提高有效熱效率，并顯著降低NOX排放。文獻[9]在一臺天然氣/氫氣混合燃料的缸內直噴發動機上，通過引入EGR研究了摻氫比、EGR率及燃料噴射時刻對發動機性能和排放的影響，結果表明：NOX排放隨EGR率的增大而下降，隨摻氫比的增加而上升。文獻[10]在稀燃條件下研究了天然氣摻氫發動機的熱效率與排放性能，發現在最佳點火提前角(minimum spark advance for best torque,MBT)摻氫，可以一定程度上提高發動機的指示熱效率，降低未燃CH4和CO的排放，改善NOX與未燃碳氫的權衡關系。純天然氣結合EGR的燃燒與排放特性方面的研究已有很多[11-12]，但是HCNG結合EGR方面的研究還相對較少，且已有的研究都是在節氣門全開的條件下進行的，對部分節氣門開度下HCNG結合EGR的性能和排放的研究，尚缺少充分的數據積累。車用發動機經常在部分負荷工況運轉，因此，開展部分節氣門開度下點火提前角對HCNG結合EGR技術的發動機性能和排放特性的研究具有重要意義。

1 試驗設備和試驗方法

本試驗所使用的發動機為濰柴動力股份有限公司生產的WP7NG240E51型長行程天然氣發動機，該發動機采用渦輪增壓加中冷，電控單點噴射，其基本參數如表1所示。

表1 WP7NG240E51型天然氣發動機基本參數

臺架試驗在洛陽凱邁機電設備制造有限公司生產的CW260型電渦流測功機系統上開展。日本IBA公司生產的MEXA-7100EGR型排放分析儀用于測量有害物排放。廢氣經過中冷器和EGR 閥引入進氣管。試驗過程中，中冷器的冷卻水流量固定不變，EGR率通過控制EGR閥開度實現，所有EGR率的控制與調節方式均為開環調節，EGR的進氣在增壓器前端，即低壓EGR。在試驗過程中可以通過調節不同的H/C值來測量不同摻氫比條件下的氣體排放。摻氫比和EGR控制系統如圖1所示。

圖1 摻氫比和EGR控制系統

摻氫比控制系統的主要原理是在天然氣管道中安裝一個科里奧利力流量計，直接測量天然氣流量，并控制氫氣流量，進而得到目標摻氫比。發動機的進氣量通過熱氣體質量流量計(型號為Toceil20N100114LI)測量，其測量范圍為0～1 000 m/h，測量精度為1%，響應時間為10 ms。天然氣和氫氣流量由DMF-1-1-5型科式流量計測量，其測量范圍為0～40 kg/h，測量精度為0.2%。缸壓數據用奇石樂公司生產的6118CF-4CQ03-4-1型壓電傳感器采集。

試驗時，發動機轉速為1 000 r/min，節氣門開度固定為50%，EGR率以摻氫比為0%時原機EGR率為基準，基準EGR率為10.8%，下限為0%，上限為每個摻氫比在試驗中所容許的最大值。試驗過程中，調節點火提前角到最佳(maximum brake torque，MBT)，氧傳感器安裝在排氣側，用來實時測量發動機排氣中的氧含量，并將空燃比信號傳遞給電子控制單元(electronic control unit,ECU)，在不同摻氫比和EGR率下維持過量空氣系數φa=1。每個工況連續采集101個循環的缸內壓力數據，取其平均值用于計算放熱率等燃燒特性參數。

2 試驗結果與分析

2.1 最佳點火提前角確定

圖2給出了不同摻氫比下最佳點火提前角與EGR率之間的關系。由圖2可知：在相同摻氫比下，最佳點火提前角隨著EGR率的增大而增大。這是由于隨著EGR率的增大，進入氣缸的廢氣增多，對進入氣缸的新鮮充量的稀釋作用增強，降低了氣缸內的氧濃度，而且火花塞從點火到形成火核的時間變長，火焰傳播速度變慢，燃燒速度下降，后燃加重。因此，隨著EGR率的增大，需要增大點火提前角，才能減少活塞在膨脹做功沖程中的熱損失，提高燃燒的定容度，從而提高發動機的循環熱效率。

圖3給出了不同EGR率下最佳點火提前角與摻氫比之間的關系。從圖3中可以看出：隨著摻氫比的增加，最佳點火提前角減小。一方面，由于氫氣被點燃所需要的能量遠小于天然氣；另一方面，混合氣層流燃燒速度的增長幅度隨著氫氣比的增大而增大[13]，這是因為在相同條件(初始壓力、溫度、當量比)下，氫氣燃燒速度高于以甲烷為主的天然氣。隨著摻氫比的提高，混合氣燃燒時火焰傳播速度越來越快，火花塞從點火到形成火核的時間越來越短。若點火提前角仍然保持不變，會增加燃料在壓縮行程的燃燒比例，導致壓縮負功變大，壓力升高率也急劇升高，發生爆燃的可能性增大。因此，隨著摻氫比的提高，需要減小點火提前角來降低壓縮負功和壓力升高率，降低爆震發生的可能性，提高發動機的輸出功率，降低發動機的燃油消耗率。

圖2 最佳點火提前角與EGR率之間的關系

圖3 最佳點火提前角與摻氫比之間的關系

2.2 摻氫比和EGR率對發動機放熱規律的影響

為了給后續的性能與排放分析提供理論依據，比較了不同條件下的累計放熱量和瞬時放熱率。圖4a和圖4b分別是在摻氫比為0%和50%時的累計放熱量。由圖4a和圖4b可知：隨著EGR率的增加，累計放熱量有所降低，放熱量的斜率也有所降低，即放熱速率也有所下降。相同EGR率下，摻氫比為0%和50%的累計放熱量差距不大。圖4c和圖4d分別是摻氫比為0%和50%時不同EGR率下的瞬時放熱率曲線，同時在圖中標注出了不同EGR率下從點火到放熱率達到最大值所經歷的曲軸轉角。由圖4c和圖4d可知：在相同摻氫比下，隨著EGR率的增大，燃燒的放熱率峰值降低，從點火到放熱率達到最大值所經歷的曲軸轉角增加，若保持點火提前角不變，放熱率峰值所對應的曲軸相位一定會有所推遲。當摻氫比為0%，EGR率大于20.8%時，缸內溫度已經很低，繼續增加EGR對放熱率峰值的影響并不明顯，反而會導致放熱率峰值的大幅度推遲，還可能會造成嚴重的失火現象，故摻氫比為0%，EGR率大于20.8%時的放熱率在圖中不予考慮。綜合圖4a～圖4d還可以看出：摻氫比對累計放熱量和放熱率峰值的影響并不明顯，當摻氫比為0%時，隨著EGR率的增大，從點火到放熱率達到最大值所經歷的曲軸轉角的變動也很大，點火需要大幅度提前；而當摻氫比為50%時，隨著EGR率的增大，從點火到放熱率達到最大值所經歷的曲軸轉角的變動很小，燃燒相對穩定，因此摻氫可以提高EGR的使用比例。

2.3 摻氫比和EGR率對動力經濟性的影響

圖5給出了不同摻氫比下平均有效壓力(brake mean effective pressure,BMEP)與EGR率之間的關系。從圖5中可以明顯看出：無論在何種摻氫比下，平均有效壓力都隨著EGR率的增大而降低。隨著EGR率的增大，跟隨新鮮空氣一起進入發動機氣缸的廢氣量增加，這就減少了新鮮充量所占的比例，進入氣缸內燃料的總熱值降低，燃燒放熱量下降，導致平均有效壓力降低；由于EGR具有稀釋作用，導致缸內的混合氣濃度下降，燃燒速率變慢，燃燒相同質量的燃料時功率下降。

圖6給出了不同EGR率下平均有效壓力與摻氫比之間的關系。由圖6可知：平均有效壓力隨著摻氫比的增加呈略微下降的趨勢，且摻氫比越大，下降的趨勢越小。在摻氫比不大時，一方面，由于氫氣會占據部分進氣管，使在相同節氣門開度時進入氣缸的空氣量減少，如果維持過量空氣系數φa=1，一定會使進入氣缸的混合氣量減少，平均有效壓力降低；另一方面，由于氫氣的體積熱值僅為天然氣的1/3左右，天然氣摻入氫氣后相同體積的燃料熱值下降，且氫氣的壁面淬熄距離也僅為天然氣的1/3左右，因此傳熱損失也有所增加[14]，從而使平均有效壓力略有下降。但是隨著摻氫比的增加，火焰傳播速率越來越快，縮短了燃燒持續期，提高了燃燒的定容度，減小了熱損失，從而導致平均有效壓力提高。這幾種因素的綜合作用導致隨著摻氫比的增加，平均有效壓力下降得越來越慢。由圖6還可以看出：在相同摻氫比時，平均有效壓力隨EGR率的增加有較大降幅。

圖7給出了不同摻氫比下有效熱效率與EGR率之間的關系。從圖7中可以看出：在不同摻氫比條件下，有效熱效率隨著EGR率的增大呈現出先升高再降低的趨勢，在摻氫比為30%及以下時，有效熱效率的最大值出現在EGR率為10.8%附近；在摻氫比為40%以上時，有效熱效率最大值出現在EGR率為15.8%附近。這一結果說明：隨著摻氫比的增加，有效熱效率峰值向高比例EGR率移動。在EGR率不大時，有效熱效率隨EGR率的增大而升高，可能原因為：引入廢氣后缸內氣體的比熱比增大，從而提高熱效率；部分節氣門開度下，EGR可以降低泵氣損失，從而提高有效熱效率；EGR中存在部分活性自由基，對燃燒過程也起到一定改善作用[15]。隨著EGR率的進一步增大，廢氣對混合氣的稀釋作用越來越強，降低了缸內燃燒溫度和氫氣的火焰傳播速度，使燃燒放熱持續期增加，缸內壓力下降，燃燒的定容度降低，從而使有效熱效率顯著降低，且摻氫比例越低，有效熱效率下降的趨勢越明顯。

圖5 平均有效壓力與EGR率之間的關系

圖6 平均有效壓力與摻氫比之間的關系

圖8給出了不同EGR率下有效熱效率與摻氫比之間的關系。由圖8可知：在EGR率小于15.8%時，有效熱效率隨著摻氫比例的增加而略有下降。盡管小EGR率可以減少進氣過程的泵氣損失，摻氫對提高混合氣的火焰傳播速率也有利，但摻氫后氫氣會占據部分進氣管，導致混合氣的體積熱值降低，燃燒放熱率下降，有效功率下降。上述原因綜合作用，使有效熱效率隨著摻氫比的增加而呈現出略有下降的趨勢。在EGR率大于15.8%時，有效熱效率隨著摻氫比的增加有所增加。在較大EGR率下，EGR對泵氣損失的減少作用越來越明顯，同時摻氫成為提高火焰傳播速率的主要因素，所以隨著摻氫比的增加，有效熱效率也有所增加。

圖7 有效熱效率與EGR率之間的關系

圖8 有效熱效率與摻氫比之間的關系

2.4 摻氫比和EGR率對發動機排放的影響

圖9給出了不同摻氫比下NOX排放量與EGR率之間的關系。由圖9可知：在不同摻氫比下，NOX的排放量都隨著EGR率的增大而下降。EGR使NOX排放量降低的主要原因是廢氣對新鮮充量的稀釋作用，也有部分觀點認為是由于EGR對缸內的降溫效應[16]。在EGR率較小時，隨著EGR率的增大，對NOX排放量的降低作用明顯；而當EGR率大于25.8%以后，NOX排放量隨著EGR率的繼續增大而下降緩慢。這是由于當EGR率為25.8%左右時，缸內溫度已經很低，繼續增加EGR率對缸內溫度的降低作用并不明顯，缸內的失火現象加重，大量燃料不能完全燃燒，導致發動機的功率和有效熱效率都急劇下降。

圖10給出了不同EGR率下NOX排放量與摻氫比之間的關系。由圖10可知：NOX的排放量隨著摻氫比的增加而稍有增加。在較小EGR率下，過量空氣系數一定，反應的氧濃度基本沒有發生變化，由于氫氣具有較高的火焰傳播速度，隨著摻氫比的增加，火焰傳播速度越來越快，燃燒的定容度越來越大，缸內燃燒溫度升高，這是導致NOX排放量增加的主要原因。在EGR率較大時，摻氫比的增加對排放量的影響很小，這是由于在大EGR率下，缸內溫度已經很低，而且由于節氣門開度不變，摻氫比增加，在維持過量空氣系數不變的前提下，燃料量減少，使得燃燒放熱量降低，缸內最高燃燒溫度降低，摻氫對火焰傳播速度的提高幾乎可以忽略不計，因此大EGR率下的NOX排放量一直維持在較低的水平。

圖9 NOX排放量與EGR率之間的關系

圖10 NOX排放量與摻氫比之間的關系

圖11給出了不同摻氫比下CO排放量與EGR率之間的關系。由圖11可知：隨著EGR率的增大，CO排放量的變化不大，這是由于CO排放量主要與空燃比有關[17]，由于整個試驗過程的過量空氣系數都控制在1.0左右，CO排放量的變化也不是很高，所以相同摻氫比下CO排放量隨EGR率增大的變化幅度并不是很大。圖12給出了不同EGR率下CO排放量與摻氫比之間的關系。從圖12中可以明顯看出：隨著摻氫比的增加，CO的排放量降低，且摻氫比例越大，CO排放量降低得越明顯。摻氫后，混合物的H/C值增加，HCNG混合氣的C含量相對減少，摻氫比例越大，H/C值上升得越快，燃燒生成CO產物的量也會減少。此外，摻氫后混合氣的燃燒速率加快，缸內燃燒溫度提高，燃燒得到改善，不完全燃燒現象減少，CO排放量降低。

圖11 CO排放量與EGR率之間的關系

圖12 CO排放量與摻氫比之間的關系

圖13給出了不同摻氫比下HC排放量與EGR率之間的關系。由圖13可知：隨著EGR率的增大，HC的排放量也隨之增加，且同一摻氫比下HC生成的速率有增加趨勢。HC排放量增加的原因主要有：隨著EGR率的增大，可燃混合氣變稀，缸內最高燃燒溫度降低，不完全燃燒和失火的可能性增加，具體表現為氣缸壁溫度降低，壁面淬熄產生的未燃HC增加；隨著EGR率的增大，缸內的火焰傳播速度降低，導致燃燒持續期變長，在膨脹中期，仍然有大量混合氣燃燒，活塞膨脹導致氣缸內的燃燒溫度下降，低于HC的氧化溫度時，大量HC不能被有效氧化，產生“凍結”現象，在排氣沖程中被排出氣缸；隨著EGR率的增大，排溫降低，排氣中未燃HC的氧化量減少，造成排放增加。

圖14給出了不同EGR率下HC排放量與摻氫比之間的關系。由圖14可知：隨著摻氫比的增加，HC的排放量有所降低。摻氫后火焰傳播速度提高，缸內燃燒溫度提高，HC的后期氧化量增加；摻氫后混合燃料中H/C值提高，由于氫氣中不含有碳原子，燃燒產物中無HC排放。以上兩點原因均使燃燒趨于完全，因此，發動機的HC排放量隨摻氫比的增加而降低。

圖13 HC排放量與EGR率之間的關系

圖14 HC排放量與摻氫比之間的關系

2.5 摻氫比和EGR率對發動機性能和排放影響的綜合分析

圖15 不同摻氫比和EGR率下NOX排放量和有效熱效率之間的關系

通過以上分析可知：發動機在引入EGR后，NOX排放量降低，但同時也會導致HC排放量的增加和有效熱效率的下降；而發動機在特定的EGR下，摻氫可以提高有效熱效率，但是也會增加NOX排放量。圖15給出了不同摻氫比和EGR率條件下發動機NOX排放量和有效熱效率之間的關系。圖15中，不同曲線的左側起點摻氫比為0%，終點摻氫比為50%；大橢圓標記部分為綜合考慮的熱效率較高和NOX排放相對較低的區域，即發動機在EGR率為15.8%～20.8%，摻氫比為10%～50%時取得較好的綜合性能。特別是在EGR率為15.8%，摻氫比為40%時，即圖15中較小橢圓標注部分，發動機的有效熱效率達到最佳，此時CO和HC的排放量也處于相對較低的水平，NOX排放量也相對較低，因此發動機在該工況下的最佳摻氫比為40%，最佳EGR率為15.8%，這與文獻[18]在低轉速下匹配較大摻氫比和較小EGR率的研究結果一致。此時，可以在現有天然氣發動機結構不做改動的情況下，實現高效率低污染燃燒。

3 結論

(1)最佳點火提前角隨著摻氫比的增加而推遲，隨著EGR率的增大而提前。

(2)隨著EGR率的增大，放熱率的峰值下降，放熱率峰值相位也有所推遲。

(3)平均有效壓力隨著EGR率的增大而降低，隨摻氫比的增加呈現先減小后穩定的趨勢。在EGR率小于15.8%時，有效熱效率隨著摻氫比的增加而下降；在EGR率大于15.8%時，有效熱效率隨著摻氫比的增加有所增加。有效熱效率隨著EGR率的增大呈現出先增加后降低的趨勢，在EGR率為15.8%時達到最大值。

(4)隨著EGR率的增大，NOX排放量降低；隨著摻氫比的增加，NOX排放量增加。隨著EGR率的增大，CO排放量變化不大；隨著摻氫比的增加，CO排放量下降。隨著EGR率的增大，HC排放量增加；隨著摻氫比的增加，HC排放量降低。

(5)發動機在該工況下的最佳摻氫比為40%，最佳EGR率為15.8%。