6 000 r/min大負荷下摻氫對汽油機排放性能的影響

樊俊梅

摘 要：嚴重的環境污染問題促使研究人員探索更環保的燃料，一定程度上在汽油機中摻混氫氣可改善發動機的排放性能。本研究采用進氣道噴射氫氣、缸內直噴汽油的復合噴射方式，探索了發動機轉速為6 000 r/min下，負荷率為100%、90%、80%時，摻氫比為0%、5%、10%、15%和20%時對汽油機排放性能的影響。研究結果表明，CO的質量分數整體處于較低水平;同一工況下，隨著摻氫比的增加，CO2的質量分數逐漸減小;100%負荷率和80%負荷率下，隨著摻氫比的增加，NO的質量分數先增大后減小，且都大于純汽油機;90%負荷率下，NO的質量分數均小于純汽油機。

關鍵詞：摻氫比;CO質量分數;CO2質量分數;NO質量分數

中圖分類號：TK46+3 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0075-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.017

Effect of Hydrogen on Emission Performance of Gasoline Engine Under 6 000 r/min Heavy Load

FAN Junmei

（AVIC Optoelectronics Technology Co.， Ltd.， Luoyang 471400，China）

Abstract： The serious environmental pollution problem urges researchers to explore more environmentally friendly fuels. To some extent， mixing hydrogen into gasoline engine can improve the emission performance of engine. In this study， the combined injection mode of hydrogen injection into the inlet and direct injection of gasoline into the cylinder is used to study the effects of hydrogen energy fractions of 0%， 5%， 10%， 15% and 20% on the emission of gasoline engine at 6 000 r/min and load rate of 100%， 90% and 80%. The results show that the mass fraction of CO is at a very low level as a whole; under the same working condition， the mass fraction of CO2 decreases gradually with the increase of hydrogen doping ratio; at 100% load rate and 80% load rate， with the increase of hydrogen blending ratio， the mass fraction of no first increases and then decreases， which is greater than that of pure gasoline engine. At 90% load rate， the mass fraction of no is less than that of pure gasoline engine.

Keywords： hydrogen doping ratio; CO mass fraction; CO2 mass fraction; NO mass fraction

0 引言

當今社會需向綠色低碳轉型，防治排放污染的形勢越發緊迫[1-2]。在日常生活中，隨著汽車保有量的增加，由汽車尾氣所引發的環境污染問題也較為突出，化石燃料使用過程中出現的排放問題已經成為人們關注的環境問題。

氫氣在點火式發動機上具有良好的應用前景，在許多方面優于使用傳統燃料的點火式發動機[3-4]。氫氣作為雙燃料之一，應用于內燃機，具有以下優點：①較少的循環變化有利于發動機的排放、效率和平穩性能;②非常低的最低可燃性極限使氫氣成為稀薄燃燒的理想燃料;③熱力學和傳熱特性往往會產生較高的壓縮溫度，有助于提高稀混合氣工況下發動機效率;④燃料燃燒速度快、點火能量低使其也適用于發動機的高速和冷起動工況;⑤氫的無碳化學物質實質及特性為內燃機的清潔高效運行提供了優良的燃料;⑥高自燃溫度（858 K）使其更適合作為火花點火發動機的燃料;⑦低點火能量使氫氣成為預燃的理想燃料[3]。分析國內外對摻氫汽油機的研究現狀發現，研究多集中于稀燃、怠速等中小轉速和中小負荷工況下，摻氫比對氫-汽油發動機的性能影響[5-8]。筆者主要研究了發動機轉速為6 000 r/min時，負荷率為100%、90%、80%下，在汽油機內摻氫較純汽油機排放性能的變化。

1 試驗方法

本研究以單缸汽油機為原型進行仿真模擬，根據汽油機的技術參數使用Solidworks繪制三維模型，噴氫孔位于進氣道鼻梁位置，噴油孔位于缸內進氣道側，噴油孔直徑為0.25 mm，中心線與氣缸中心線的夾角為60°;噴氫孔直徑為5 mm，中心線與進氣道軸線的夾角為30°。三維模型如圖1所示，AVL-Fire網格劃分如圖2所示。

氫的能量分數是指每循環氫氣所產生的熱量占發動機氣缸內的總熱量的比值，即每循環氫氣的總能量與燃料總能量的比值。

[αH2=mH2HuH2mH2HuH2+mGASHuGAS]

其中，Hu（H2）和Hu（GAS）分別為氫氣和汽油的低熱值，MJ/kg，本研究中氫氣的低熱值選用119.8 MJ/kg，汽油的低熱值選用44.5 MJ/kg;[mH2]和[mGAS]分別為每循環輸入氣缸內的氫氣和汽油的質量，kg。

本研究選用氫的能量分數表征摻氫比，下文一律采用摻氫比來描述。

基于上述模型，采用數值模擬的方式主要研究了發動機轉速6 000 r/min下，負荷率為100%、90%、80%時，0%、5%、10%、15%和20%的摻氫比對排放性能的影響。

首先模擬計算發動機轉速為6 000 r/min下對應的最大指示功所需的噴油量，即燃料能量，發動機運行在該燃料能量下的工況稱為100%負荷率工況，此時汽油機的過量空氣系數為0.85～0.90，分別計算模擬了純汽油最大指示功的90%和80%所對應的汽油燃料能量，即為90%負荷率和80%負荷率對應的發動機總燃料能量。此后，依據各負荷率對應的燃料能量計算摻氫比為0%、5%、10%、15%和20%對應的各工況下氫氣和汽油的噴射量。根據氫氣和汽油的噴射量模擬噴氫孔和噴油孔打開時長，控制摻氫比上下浮動0.3%。

分別使用CO質量分數、CO2質量分數、NO質量分數代指CO氣體、CO2氣體、NO氣體占總排放氣體的質量分數，進而分析不同工況下摻氫比對汽油機排放性能的影響。

2 不同工況下摻氫比對汽油機排放性能的影響

2.1 不同工況下摻氫比對汽油機CO、CO2排放的影響

圖3為發動機轉速為6 000 r/min時，負荷率分別為100%、90%、80%時，CO質量分數隨摻氫比的變化曲線。從圖3可以看出，CO質量分數整體處于較低水平，最高在0.07%左右，最低近似于0;在80%負荷率下，CO質量分數隨摻氫比的增加無明顯變化，且處于0～0.007%，近似無變化。同一摻氫比下，CO質量分數隨負荷率的增加而增加。這主要是因為CO是汽油在燃燒過程中生成的重要中間產物，足夠的氧濃度和溫度、足夠長的化學反應時間都可促使CO氧化為CO2。在100%負荷率下，氧濃度不足，燃料燃燒不完全，相較于其他工況，CO質量分數略高，在80%負荷率下過量空氣系數為1.3～1.5，燃燒過程中有足夠的氧氣使CO氧化為CO2。

圖4為發動機轉速為6 000 r/min時，負荷率分別為100%、90%、80%時，CO2質量分數隨摻氫比的變化曲線。觀察圖4可知，同一工況下，隨著摻氫比的增加，CO2質量分數逐漸減小，這是因為隨著摻氫比的增加，過量空氣系數減少，即缸內氧濃度減少;同一摻氫比下，隨著負荷率的降低，CO2質量分數先增加后減小，即100%負荷率下的CO2質量分數比90%和80%負荷率下的CO2質量分數低，這主要是由于100%負荷率對應發動機過量空氣系數小于1，燃料不能完全燃燒，CO排放多，但沒有足夠的氧氣使其轉換為CO2，90%負荷率下的CO2質量分數大于80%負荷率下的CO2質量分數，是由于90%負荷率下的總燃料能量大于80%負荷率下的總燃料能量，碳含量多，CO排放較多，即使氧氣不能將全部CO轉換為CO2，也多于80%負荷率下的CO2質量分數。

2.2 不同工況下摻氫比對汽油機NO排放的影響

圖5為發動機轉速為6 000 r/min時，負荷率分別為100%、90%、80%負荷率下，NO質量分數隨摻氫比的變化曲線。從圖5可以看出，100%負荷率和80%負荷率下，隨著摻氫比的增加，NO質量分數先升高后降低。在摻氫比為10%時，NO質量分數最大，分別較各工況下摻氫比為0%時的NO質量分數增加了29.12%和56.99%;90%負荷率下，隨著摻氫比的增加，NO質量分數反而先減小后增大，在摻氫比為0%時NO質量分數最大，在摻氫比為15%時NO質量分數最小。

出現上述現象的主要因為是NO排放物主要來源于參與燃燒的空氣中的氮，即“熱NO”，高溫和充足的氧氣都可促使NO排放增多。具體原因如下。

①NO排放物的生成隨溫度的升高而呈指數函數急劇增加，可認為溫度每升高100 K，NO的生成速率幾乎翻一番[9]。在發動機轉速為6 000 r/min時100%負荷率和80%負荷率下，缸內峰值溫度均在摻氫比為10%時最高。在發動機轉速為6 000 r/min時90%負荷率下，缸內峰值溫度在摻氫比為20%時達到最高。

②NO排放物在缸內溫度達到2 000 K時，反應生成速率很高，且由于NO生成反應比燃料燃燒反應慢，若反應物在高溫環境下停留時間不足，則NO達不到平衡含量，使NO排放量減少[9]。100%負荷率和80%負荷率下的摻氫比為10%時，以及負荷率為90%下摻氫比為20%時，缸內高溫持續時間最長。

③過量空氣系數既影響燃燒溫度，又影響燃燒產物中氧的含量。因此，過量空氣系數對NO排放影響較大。NO排放量隨過量空氣系數的增加呈先增加后減小的趨勢，在過量空氣系數為1.1左右時，NO排放量出現峰值[9]。NO排放量隨過量空氣系數的變化趨勢歸根結底是缸內溫度和氧含量的此消彼長。在100%負荷率下，過量空氣系數在0.9左右;在90%負荷率時，過量空氣系數為0.97～1.10;在80%負荷率時，過量空氣系數為1.29～1.47。同一轉速，由于節氣門開度保持最大，空氣隨噴氫量的變化而變化，隨著負荷率的降低，過量空氣系數增大。同一工況下，過量空氣系數隨摻氫比的增大而減小。

綜上所述，缸內最高溫度、缸內高溫持續時間及過量空氣系數等因素共同影響發動機轉速為6 000 r/min時，100%、90%、80%負荷率下NO質量分數隨摻氫比的變化。

3 結語

筆者研究了發動機轉速為6 000 r/min時，在負荷率為100%、90%和80%下，摻氫比為0%、5%、10%、15%和20%對發動機排放性能的影響。得出如下結論。

①CO質量分數整體處于很低的水平，在80%負荷率下，CO質量分數隨摻氫比的增加無明顯變化，且處于0～0.007%。

②同一工況下，隨著摻氫比的增加，CO2質量分數逐漸減小，但在90%負荷率下，CO2質量分數在摻氫比為20%時出現小幅度上漲。同一摻氫比下，隨著負荷率的降低，CO2質量分數先增加后減小。

③100%負荷率和80%負荷率下，NO質量分數在摻氫比為10%時達到最大;90%負荷率下，NO質量分數隨摻氫比的增加呈現先減小后增大的趨勢，在摻氫比為15%時NO質量分數最低;100%負荷率和80%負荷率下，隨著摻氫比的增加，NO質量分數先增大后減小，且都大于純汽油機;90%負荷率下，NO質量分數均小于純汽油機。

參考文獻：

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