汽油氫氣缸內雙噴射發動機控制試驗研究

莊 遠, 朱國冬, 滕 勤

(合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著化石燃料的逐漸短缺和排放法規的日益嚴格,政府以及科研機構希望找到合適的替代燃料,解決未來可能出現的能源和環境兩大全球性問題。在許多替代燃料中,氫氣以“可再生、無污染、存在廣”等優越性成為各方研究和探索的焦點。

氫氣具有較寬的著火界限,摻入汽油中能夠加速火焰傳播、改善缸內燃燒、提高缸壓,有利于發動機做功[1];而且氫氣燃燒速度比汽油快,大大縮短了燃燒持續期,并且減少了傳熱損失[2-3]。但是氫氣的快速燃燒和大量放熱會造成氣缸中的溫度升高,產生更多的NOx排放[4]。怠速時適量摻氫可以提高發動機的穩定性,改善HC的排放,但是隨著負荷的增加,氫氣的加入會使NOx排放升高,因此必須根據發動機工況靈活調控摻氫比。

隨著節能減排的要求日益提高,通過摻氫的方式來實現空燃比20以上的稀薄燃燒成為了許多單位研究的熱點。目前對摻氫的燃燒大多采取進氣道或者進氣總管噴射的方式,但是對汽油氫氣缸內噴射以及摻氫發動機稀燃的研究并不多見。早期研究人員采用進氣歧管噴氫技術來解決由于氫氣火焰傳播速度快、點火能量低而引起的早燃和回火等問題[5-8],然而這種通過自然吸氣在外部形成混合氣的方式使得發動機功率密度低,不能產生較高的輸出功率,因此缸內直噴氫氣成為目前的研究熱點。缸內直接噴氫不僅可以完全避免回火問題,而且可以產生較高的輸出功率并提高燃燒熱效率[9-10]。但傳統缸內直噴氫氣的方式由于氫氣擴散性較強,不能很好地利用氫氣本身的各項優點,尤其是對點火起始階段燃燒的優化作用?；诖?本文嘗試用帶微孔的火花塞來實現缸內氫氣直噴,使得氫氣通過噴射器直接噴射到火花塞周圍。由于氫氣具有著火界限寬、火焰傳播速度快等獨特的理化性質,使得在火花塞周圍形成較濃的混合氣,有利于發動機在稀燃工況下運行,并且相比于進氣道噴氫需要的氫氣量更少。

本文基于構建的汽油氫氣缸內雙噴射系統,通過對怠速和部分負荷工況下噴氫正時、噴氫脈寬、噴氫壓力和過量空氣系數等控制參數的試驗研究,以及對油耗量、總排溫、燃燒和排放數據的分析,來尋求最佳的氫氣噴射正時和摻氫比,從而實現對汽油氫氣缸內雙噴射發動機參數的精準控制。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

本文試驗臺架所使用的江淮1.5TGDI直列四缸發動機參數如下：最大功率為128 kW;最大扭矩為251 N·m;壓縮比為10∶1;排量為1.5 L。該發動機進氣形式為渦輪增壓，配氣機構為雙頂置式凸輪軸(double overhead camshaft，DOHC)。

本文試驗系統采用凱邁FST2D發動機測控系統和凱邁CW160電渦流測功機(扭矩測量精度±0.4% F.S.;轉速測量精度±1 r/min)來控制發動機的扭矩和轉速,油耗采用凱邁FCMM-3油耗測量儀(油耗測量精度±0.3% F.S.)來測量。缸壓和曲軸轉角信號分別采用KISTLER 6115C-5BQ01型火花塞式缸壓傳感器(缸壓測量精度±0.5% F.S.)和KISITLER 2614C型角標儀進行測量,這些信號由AVL IndiCom燃燒分析儀進行分析,獲得缸壓-曲軸轉角關系曲線。空氣流量采用ToCEIL-20N060型氣體質量流量計測量(測量精度±1% F.S.)。氫氣流量采用北京七星華創生產的D08-1F型質量流量計(測量精度±1% F.S.)。使用HORIBA MEXA-584L型廢氣分析儀來測量發動機空燃比和各排放值。

氫氣缸內直噴系統由帶穩壓裝置的氫氣發生器、數字式質量流量計、共軌、噴射器和帶孔的火花塞組成。帶孔的火花塞如圖1所示。

圖1 帶孔的火花塞

氫氣噴射控制單元使用銳科ECR12V-GDI控制單元,基于原機曲軸與凸輪軸傳感器信號實現氫氣缸內噴射控制。

汽油氫氣缸內雙噴射系統整體控制框圖[11]如圖2所示。

圖2 汽油氫氣缸內雙噴射系統整體控制框圖

1.2 試驗方法

根據研究目標不同,本文試驗在怠速和部分負荷工況下進行[12]。

在怠速工況下主要研究最佳的噴氫正時、摻氫提升怠速的穩定性以及氫氣噴射壓力對整個試驗的影響。試驗時，發動機轉速為800 r/min,過量空氣系數為1.0,氫氣噴射壓力為4 MPa和6 MPa,噴射脈寬為400 μs,從上止點前200°CA到上止點前5°CA改變噴氫正時,對測量的試驗數據進行分析。

在部分負荷工況下,以過量空氣系數為被控參數,以噴氫脈寬為調節變量,確定稀燃狀態下穩定燃燒的最佳摻氫比。試驗時，發動機轉速為1 200 r/min;油門開度為35%,氫氣噴射壓力為6 MPa,噴氫正時為怠速工況下所確定的最佳噴氫正時,過量空氣系數變化范圍為1.0～1.5,噴氫脈寬變化范圍為400～900 μs,對測量的試驗數據進行分析。

2 試驗結果分析

2.1 怠速工況

怠速是發動機的典型工況之一,怠速時發動機對外并不輸出有用功。發動機怠速性能對油耗、排放和舒適性有較大影響,是評價發動機性能的重要指標。

在怠速工況下油耗量和平均指示有效壓力(indicated mean effective pressure,IMEP)隨噴氫正時的變化情況如圖3所示，其中最左側一組數據為原機不噴射氫氣的數據,形成對比。

從圖3a可以看出:在上止點前200°CA～100°CA之間,由于氫氣參與燃燒,提供動力,原機電子控制單元(electronic control unit,ECU)通過閉環控制調節原機噴油量,降低油耗;在上止點前100°CA～20°CA之間，由于氫氣噴射推遲,影響缸內燃燒情況,從而使得油耗量增加來維持發動機的穩定工況;在上止點前20°CA以下，由于噴射推遲接近上止點,導致缸內壓力增大，使得氫氣噴射阻力增加,因此相同的噴射壓力和噴射脈寬下氫氣噴射量會減少,油耗量會上升。綜合來說,在噴射壓力為4 MPa和6 MPa下,油耗量在噴射正時為上止點前100°CA時降到最低。

從圖3b中可以看出：在上止點前200°CA～100°CA之間,IMEP呈上升趨勢,這是由于氫氣的擴散速度明顯高于汽油,摻氫在一定程度上可以提高混合氣的均勻程度,從而促使燃料的快速、充分燃燒,另一方面氫氣的絕熱火焰速度快,因此摻氫使汽油機燃燒狀態得到改善,熱效率提高;在上止點前100°CA～20°CA之間,IMEP呈下降趨勢,此時氫氣噴射正時推遲,使得汽油、氫氣和空氣混合不均,燃燒不充分;在上止點前20°CA以下時,由于氫氣噴射在點火提前角附近,造成缸內壓力急劇上升,但由于噴射正時太過推遲,也造成燃燒不充分。

從圖3還可以看出,在6 MPa壓力下,IMEP波動較小,發動機工作更穩定。綜合來說,在4 MPa和6 MPa壓力下,IMEP在噴射正時為上止點前100°時能達到最佳狀態。

圖3 油耗量和IMEP隨噴氫正時的變化

在怠速工況下HC排放和NOx排放隨噴氫正時的變化情況如圖4所示。

從4a圖可以看出,HC排放φHC在氫氣噴射后明顯下降,且在上止點前200°CA～5°CA之間,HC排放基本保持不變。這是由于氫氣的燃燒界限寬,氫氣噴射后發動機缸內的燃料可以在更高的過量空氣系數條件下充分燃燒,從而抑制了由于油膜效應所導致的失火現象,進而使得HC排放在氫氣噴射后明顯降低。

從圖4b中可以看出,NOx排放φNOx在氫氣噴射后明顯上升,并且在上止點前200°CA～5°CA之間,NOx排放變化不大。這是由于氫氣的絕熱火焰溫度較高,且噴射氫氣能夠縮短燃料燃燒持續期和提高缸內燃燒溫度,進而導致NOx排放上升。

綜合來說,在4 MPa和6 MPa壓力下,HC排放和NOx排放在噴氫正時為上止點前100°CA時相對較小。

2.2 部分負荷工況

部分負荷是發動機運行最常見的工況之一,因此改善發動機部分負荷下的燃燒和排放特性對于提高整個發動機性能具有重要的意義。

在部分負荷工況、不同過量空氣系數下油耗量和總排溫隨噴氫脈寬的變化情況如圖5所示。

圖5 油耗量和總排溫隨噴氫脈寬的變化

由圖5a可以看出:油耗量整體是隨著噴氫脈寬的增加而降低的。這是由于氫氣是氣態燃料,參與燃燒并提供動力,原機ECU通過閉環控制調節原機噴油量,降低油耗量;但是在λ=1.3和λ=1.4下,噴射脈寬從600 μs加到700 μs時,油耗量出現稍微上升,這是由于在稀燃條件下,當氫氣過量時,汽油、氫氣和空氣混合不均導致燃燒不充分,從而使油耗量有些許波動。

由圖5b可以看出,總排溫隨噴氫脈寬的增加先下降再上升。這是由于氫氣火焰傳播速度快,摻入氫氣后使得點火提前角提前,燃燒更穩定充分,使得熱效率高、熱損失小,從而使總排溫下降;但當氫氣的量繼續增加,導致缸內溫度上升很高,從而導致總排溫會繼續上升。

由圖5數據可知,使總排溫最低的最佳摻氫比分別為1.99%、2.18%、2.17%或3.51%、3.51%、2.32%、5.10%。

部分負荷工況、不同過量空氣系數下HC排放和NOx排放隨噴氫脈寬的變化情況如圖6所示。

圖6 HC排放和NOx排放隨噴氫脈寬的變化

從圖6a可以看出,HC排放隨著噴氫脈寬的增加先減小后增大。這是由于氫氣的燃燒界限較寬,氫氣噴射后發動機缸內的燃料可以充分燃燒,使得HC排放在氫氣噴射后明顯降低;但是隨著氫氣量的繼續增加,使得燃燒不充分,從而導致HC排放又開始增加。

由圖6a數據可知,在HC排放最低時最佳的摻氫比分別為2.91%、2.18%、3.51%、3.51%、3.56%、5.10%。

從圖6b可以看出,NOx排放總是隨著噴氫脈寬的增加而上升。這是由于氫氣的絕熱火焰溫度高,而且摻入氫氣有利于縮短發動機的燃燒持續期。

由圖6b數據可知,在保證NOx排放最低時的最佳摻氫比分別為1.99%、2.17%、2.17%、2.19%、2.32%、2.29%。

3 結 論

本文基于構建的汽油-氫氣缸內雙噴射系統,通過對怠速和部分負荷工況下控制參數的試驗研究,分析油耗量、總排溫、燃燒以及排放等數據,得出結論如下:

(1) 在怠速工況下,通過對油耗量、IMEP和排放數據的對比和分析發現,控制噴氫正時在上止點前100°CA時能使汽油氫氣發動機的性能達到最佳,也確定上止點前100°CA為部分負荷控制實驗的氫氣最佳噴射正時。通過怠速工況試驗也發現，氫氣噴射能提高怠速工況的穩定性,使得發動機在怠速時能夠穩定運行。通過對IMEP的數據分析可知,氫氣噴射壓力越大,IMEP的值波動越小,發動機越穩定。

(2) 在部分負荷工況下,對比在不同過量空氣系數下噴氫脈寬對油耗量、總排溫和排放數據的影響,最終確定在部分負荷工況下、過量空氣系數在1.0～1.5之間的最佳摻氫比分別為1.99%、2.18%、3.51%、3.51%、3.56%、5.10%。