直噴氫氣發(fā)動機(jī)近零排放的試驗(yàn)研究

楊敬江，黃昭明，沈國清，陳敬玉

(1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.皖江工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；3.吉利汽車有限公司，浙江 杭州 311202)

氫氣作為一種能源，來源豐富、清潔零碳，且質(zhì)量低熱值高、燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑パ杆佟⒖贡┬院茫且环N優(yōu)良的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的替代燃料。隨著2020年中國提出“2030年碳達(dá)峰”、“2060年碳中和”的雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，氫能正成為21世紀(jì)車用動力系統(tǒng)最具有發(fā)展?jié)摿Φ牧闾寂欧拍茉粗弧Ｔ诂F(xiàn)有車用發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，僅需重新布置設(shè)計(jì)氫氣存儲及噴射系統(tǒng)、匹配冷型火花塞，就可以實(shí)現(xiàn)氫發(fā)動機(jī)的應(yīng)用，因此氫發(fā)動機(jī)是推動傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)技術(shù)升級轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)方向。

氫氣發(fā)動機(jī)燃燒后的排放物主要有HC、CO、NO、HO等4種，其中HC、CO這2種污染排放物主要是發(fā)動機(jī)機(jī)油燃燒造成的，其濃度一般在20×10以下。而NO則是氫發(fā)動機(jī)的主要污染物排放，由氮?dú)馀c氧氣在缸內(nèi)高溫環(huán)境下通過5步反應(yīng)生成。與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，氫氣發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)中心燃燒溫度更高，NO排放最高可達(dá)到10，必須從合理組織燃燒角度加以控制。國外的相關(guān)研究表明，氫氣缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)NO排放與過量空氣系數(shù)存在緊密關(guān)系：當(dāng)大于2.5時(shí)，NO排放接近0，隨著減小，NO排放先快速增加后逐漸降低；寶馬公司在氫氣發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)了變的燃燒模式，小負(fù)荷采用大于2的稀燃方式，中大負(fù)荷采用小于1的濃燃方式，并結(jié)合三效后處理系統(tǒng)成功將NO排放控制在極低水平；美國阿貢實(shí)驗(yàn)室在一臺搭載了6.0 L直噴內(nèi)燃機(jī)輕型卡車上采用超稀薄燃燒方式，實(shí)現(xiàn)了0.5 mg/km的極低NO排放。國內(nèi)方面，包凌志等人對直噴內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行了NO近零排放的試驗(yàn)研究，在少量犧牲熱效率和燃燒穩(wěn)定性的前提下降低NO原排至20×10。

綜合上述氫氣發(fā)動機(jī)污染物排放控制的研究背景，擬基于一臺汽油進(jìn)氣道噴射原型發(fā)動機(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)氫氣缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，布置噴嘴并重新加工進(jìn)氣歧管，加裝電子增壓器，試驗(yàn)研究直噴氫發(fā)動機(jī)在不同下的NO排放特性，同時(shí)對比稀薄燃燒極限下不同活塞環(huán)張力的HC、CO排放，以探索氫氣直噴發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)近零排放的技術(shù)路線，為氫氣發(fā)動機(jī)的應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。

1 試驗(yàn)對象及試驗(yàn)體系

1.1 試驗(yàn)對象

本研究在一款1.5 L廢氣渦輪增壓中冷進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)上，保持發(fā)動機(jī)本體、外圍附件及燃燒系統(tǒng)不變，布置氫氣缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，并重新設(shè)計(jì)進(jìn)氣歧管，搭建了氫氣發(fā)動機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)采用鋁合金缸體缸蓋、鋁合金進(jìn)氣歧管，4氣門雙頂置凸輪配氣機(jī)構(gòu)，其主要技術(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。氫氣缸內(nèi)直噴系統(tǒng)主要布置工作包括：在原機(jī)缸蓋上加工氫氣噴嘴安裝孔道，以安裝外開式噴氫器，布置氫氣供給軌道，優(yōu)選冷型火花塞，并重新加工鋁合金進(jìn)氣歧管總成，同時(shí)在進(jìn)氣系統(tǒng)中加裝博格華納生產(chǎn)的電子增壓器，其技術(shù)參數(shù)如表2。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 電子增壓器的基本性能參數(shù)

為控制氫氣噴嘴在發(fā)動機(jī)上的噴射脈寬、噴射正時(shí)和噴射壓力，設(shè)計(jì)了氫氣噴射控制系統(tǒng)，主要由汽油機(jī)原ECU控制單元、信號控制發(fā)生器、氫氣噴嘴執(zhí)行控制模塊以及CAN線構(gòu)成，架構(gòu)示意圖見圖1。信號控制器模塊讀取發(fā)動機(jī)原機(jī)ECU的曲軸位置、凸輪軸位置以及原汽油噴射器等相關(guān)信號，解析出氫噴嘴的噴射正時(shí)、噴射壓力和噴射脈寬信息，通過CAN線輸入到氫噴嘴執(zhí)行器模塊，控制氫氣噴嘴的閥門開啟，最終實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)氫氣噴射可控的目標(biāo)。本試驗(yàn)中，氫氣經(jīng)過兩級減壓后，使氫氣軌的壓力保持為1.5 MPa，為避免氫氣在歧管內(nèi)發(fā)生后回火，同時(shí)兼顧氫氣與空氣的混合均勻度，氫氣噴射始點(diǎn)SOI為壓縮上止點(diǎn)前130°～200°，且噴射脈寬控制在0.7～6 ms。

圖1 氫氣噴射控制架構(gòu)示意

1.2 試驗(yàn)體系

氫氣發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)測控系統(tǒng)主要設(shè)備包括奧地利AVL PUMA控制系統(tǒng)、曲軸編碼器、燃燒分析儀、進(jìn)氣溫控系統(tǒng)、機(jī)油溫控系統(tǒng)、冷卻水溫控制系統(tǒng)，所搭建的臺架測試系統(tǒng)示意見圖2。采用RHEONIK氫氣流量計(jì)與熱線式空氣流量計(jì)測量氫氣發(fā)動機(jī)不同運(yùn)行工況下的氫耗量和新鮮空氣進(jìn)氣量；采用kistler打孔式缸壓傳感器采集缸內(nèi)的瞬態(tài)壓力，排放分析儀為HORIBA MEXA-7400。試驗(yàn)系統(tǒng)主要儀器設(shè)備見表3。

圖2 氫氣發(fā)動機(jī)測控臺架

表3 試驗(yàn)系統(tǒng)主要儀器設(shè)備

為探索研究不同下的氫氣缸內(nèi)直噴燃燒過程和HC、CO、NO的排放特性，進(jìn)行了不同工況、不同下的3種氣體排放物測試。此外，為進(jìn)一步降低氫發(fā)動機(jī)由于機(jī)油消耗帶來的HC、CO排放問題，選取兩組不同張力參數(shù)的活塞環(huán)組，分別測試不同運(yùn)行工況下的HC、CO排放。兩組不同活塞環(huán)組的參數(shù)見表4。

表4 活塞環(huán)組參數(shù)

由于原機(jī)增壓器的增壓能力有限，為了明晰不同負(fù)荷極限稀薄燃燒下的NO排放特性，試驗(yàn)時(shí)采用在進(jìn)氣系統(tǒng)中串聯(lián)電子增壓器增強(qiáng)增壓能力的方式，探索中高轉(zhuǎn)速、中大負(fù)荷下的稀燃極限，以期實(shí)現(xiàn)NO的近零排放，同時(shí)對比分析了氫氣發(fā)動機(jī)與汽油機(jī)原機(jī)的外特性。試驗(yàn)中缸內(nèi)平均有效壓力(BMEP)循環(huán)變動率CoV控制在3%，增壓中冷后的進(jìn)氣溫度控制為(35±2) ℃，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)水溫、機(jī)油溫度控制為(85±2) ℃，試驗(yàn)環(huán)境溫度和環(huán)境壓力分別為25 ℃和0.1 MPa。同時(shí)，規(guī)定噴入缸內(nèi)燃料完全燃燒50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒相位，即MFB50(Mass Fraction Burning 50%，MFB50)，規(guī)定噴入缸內(nèi)燃料完全燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%到90%轉(zhuǎn)過的曲軸角度為燃燒持續(xù)期，即MFB10-90(Mass Fraction Burning 10%～90%，MFB10-90)，以研究氫氣直噴發(fā)動機(jī)的燃燒特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 汽油原機(jī)與氫發(fā)動機(jī)外特性對比

進(jìn)行了汽油原機(jī)改裝成氫發(fā)動機(jī)后的外特性試驗(yàn)，分別取氫氣、汽油的低熱值為120 MJ/kg與42.5 MJ/kg，計(jì)算了氫氣發(fā)動機(jī)折合汽油當(dāng)量燃油消耗量，試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 氫發(fā)動機(jī)與汽油原機(jī)外特性對比

圖4 氫發(fā)動機(jī)與汽油機(jī)原機(jī)經(jīng)濟(jì)性對比

由3可以看出，試驗(yàn)用的氫發(fā)動機(jī)功率和外特性扭矩低于汽油原機(jī)，這主要是由于電子增壓器進(jìn)氣流量的限制。分析認(rèn)為，良好的增壓匹配和燃燒組織可以提升氫發(fā)動機(jī)外特性至原機(jī)水平。圖4的結(jié)果表明，氫氣發(fā)動機(jī)在試驗(yàn)工況范圍的能耗大大低于汽油機(jī)，當(dāng)量燃油消耗率下降幅度超過30%，燃?xì)庀穆试?0～80 g/(kW·h)之間，具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性能。

2.2 2 000 r/min 不同負(fù)荷下NOx排放性能

氫氣發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在2 000 r/min，平均有效壓力BMEP在0.2 MPa和0.8 MPa時(shí)，進(jìn)行了不同過量空氣系數(shù)下氫氣發(fā)動機(jī)的NO排放試驗(yàn)對比研究，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由于原機(jī)增壓器的增壓能力有限，因此2 000 r/min@0.8 MPa運(yùn)行時(shí)，大于1.8后，電子增壓器開始工作，以達(dá)到理想的過量空氣系數(shù)。圖6和圖7分別示出0.2 MPa和0.8 MPa不同負(fù)荷運(yùn)行時(shí)氫氣發(fā)動機(jī)的燃燒特性。

圖5 2 000 r/min不同負(fù)荷和空燃比下NOx排放

圖6 2 000 r/min@0.2 MPa時(shí)不同λ下燃燒特性

圖7 2 000 r/min@0.8 MPa時(shí)不同λ下燃燒特性

從圖5可以知道，氫氣具有良好的超稀薄燃燒特性，稀薄燃燒的過量空氣系數(shù)可以達(dá)到3；試驗(yàn)中NO排放量的峰值出現(xiàn)在為1.1附近，大于2.8后，NO排放接近0。在0.2 MPa的低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)整點(diǎn)火提前角可使不同過量空氣系數(shù)下燃燒相位始終保持在上止點(diǎn)后8°的最優(yōu)位置，且燃燒持續(xù)期MFB10-90在20°曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)越的燃燒輸出(見圖6)；隨著負(fù)荷的增加，氫燃料化學(xué)計(jì)量空燃比燃燒時(shí)，為抑制高溫帶來的爆震傾向，點(diǎn)火提前角推遲到了上止點(diǎn)后6°，此時(shí)的MFB50為上止點(diǎn)后14.88°，相比最優(yōu)燃燒相位略微推后，但隨著稀燃程度的加深，0.8 MPa的燃燒相位在約為1.8時(shí)回到了8°附近，取得了較好的燃燒效果(見圖7)。

分析認(rèn)為，由于氫氣屬于氣體燃料、分子小，且層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁瞧偷?倍左右，在空氣中有寬廣的燃燒濃稀限，所以在發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)了大于3的超稀薄燃燒。稀薄燃燒提升了缸內(nèi)工質(zhì)多變指數(shù)、降低了最高燃燒溫度、減少了傳熱損失，保持了良好的燃燒特性。NO污染物的生成條件為高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間，當(dāng)為1.1時(shí)，此時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度高，氧氛圍充足，NO排放出現(xiàn)峰值；而大于2.7后，缸內(nèi)燃燒溫度降低到了1 900 K以下， NO無法生成，因此NO排放接近0。0.8 MPa負(fù)荷與0.2 MPa的排放趨勢一致，峰值排放出現(xiàn)在為1.1附近，由于負(fù)荷增大和缸內(nèi)氫氣中心燃燒溫度較高，NO排放較高，約為10 000×10；而當(dāng)為1.72時(shí)，廢氣渦輪增壓器放氣閥已完全關(guān)閉，增壓器能力處于極限狀態(tài)，此時(shí)NO排放為4 233×10，大大高于常規(guī)燃油發(fā)動機(jī)水平；電動增壓器開始工作后，0.8 MPa負(fù)荷的稀薄燃燒極限進(jìn)一步拓展，同樣當(dāng)大于2.7后，NO排放接近0。

2.3 稀薄燃燒極限下的NOx排放

從第2.1節(jié)可以知道，氫氣可在發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)達(dá)到3的超稀薄混合氣燃用，燃燒特性穩(wěn)定，有利于氫氣發(fā)動機(jī)萬有特性全MAP NO排放的降低，同時(shí)電子增壓器的加裝較大幅度拓展了新鮮充量泵入能力，有利于NO排放的進(jìn)一步降低。為此，進(jìn)行了轉(zhuǎn)速1 000～3 500 r/min，負(fù)荷0.1～1.4 MPa的萬有特性NO排放試驗(yàn)，結(jié)果如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，在試驗(yàn)的萬有特性MAP內(nèi)，電增壓工作時(shí)在大部分工況達(dá)到3的理想水平，由于電子增壓器流量的限制，隨著負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的升高，功率增大導(dǎo)致進(jìn)氣需求量持續(xù)增大，逐漸下降，在3 000 r/min@1.4 MPa時(shí)，接近2，此時(shí)NO排放量超過了900×10(見圖9)；當(dāng)大于2.7后，NO排放處于10×10以下，而當(dāng)值在3附近時(shí)，NO排放為0～5×10，處于近零排放水平。

圖8 不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下的λ極值

圖9 稀燃極限下的NOx排放特性

2.4 稀薄燃燒極限下的HC、CO排放

氫氣不含碳元素，從理論上講氫氣發(fā)動機(jī)尾氣不含HC、CO等有害污染物，但發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在潤滑油消耗，因此會有少量的HC、CO排放物。發(fā)動機(jī)活塞環(huán)是影響機(jī)油消耗的重要零部件，因此進(jìn)行了電增壓處于工作狀態(tài)、稀燃極限、不同活塞環(huán)張力下的氫氣發(fā)動機(jī)HC、CO排放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖10至圖13。

圖10 稀燃極限下的HC排放特性(活塞環(huán)組1)

圖11 稀燃極限下的HC排放特性(活塞環(huán)組2)

圖12 稀燃極限下的CO排放特性(活塞環(huán)組1)

圖13 稀燃極限下的CO排放特性(活塞環(huán)組2)

圖10至圖13的試驗(yàn)結(jié)果表明，兩組不同張力活塞環(huán)組的HC、CO都呈現(xiàn)出近似的總體變化規(guī)律，高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷時(shí)排放較高，低轉(zhuǎn)速時(shí)排放較低；相比于低張力活塞環(huán)組1，高張力活塞環(huán)組2的HC、CO排放較低，在5×10以下，接近零排放水平。分析認(rèn)為，氫氣發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷較低時(shí)，活塞、缸套變形小，活塞環(huán)收集缸壁潤滑油的效果好，同時(shí)缸內(nèi)最高燃燒壓力低，燃燒室邊界覆膜層不容易被破壞，這些因素共同導(dǎo)致低速低負(fù)荷時(shí)HC、CO排放較少；而高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度高、最高燃燒壓力大，同時(shí)發(fā)動機(jī)本體變形相對變大，機(jī)油消耗增多，造成HC、CO排放略高。高張力活塞環(huán)組2與缸內(nèi)的配合更緊密，收集機(jī)油的效果更好，因此機(jī)油消耗量會下降，進(jìn)而使氫氣發(fā)動機(jī)的HC、CO接近零排放。

綜合上述分析可以知道，稀薄燃燒程度決定了氫氣發(fā)動機(jī)NO排放水平，當(dāng)在3附近時(shí)，缸內(nèi)稀釋程度大，火焰中心燃燒溫度大幅下降，氮氧化合生成NO的條件被破壞，NO污染物的生成被有效抑制；同時(shí)通過優(yōu)化活塞環(huán)組張力，控制減少機(jī)油消耗，能大幅降低HC、CO排放水平。

3 結(jié)論

a) 在試驗(yàn)的工況范圍內(nèi)，相比于汽油原機(jī)，氫發(fā)動機(jī)具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，折合汽油當(dāng)量燃油消耗率下降超30%；

b) 過量空氣系數(shù)以及負(fù)荷對氫氣發(fā)動機(jī)NO排放量有較大影響，在2 000 r/min下，氫氣發(fā)動機(jī)運(yùn)行于0.2 MPa和0.8 MPa時(shí)，NO峰值排放量均出現(xiàn)在約1.1時(shí)，且負(fù)荷越高，峰值排放量越大，但通過加深稀薄燃燒程度，可以有效降低NO排放；

c) 氫氣發(fā)動機(jī)具有良好的超稀薄燃燒性能，電動增壓器能有效拓展氫氣發(fā)動機(jī)的稀燃極限，過量空氣系數(shù)最高可達(dá)到3以上；在試驗(yàn)的工況范圍內(nèi)，當(dāng)大于2.7時(shí)，NO排放低于10×10，接近零排放水平；

d) 氫氣不含碳元素，含碳?xì)怏w污染物排放處于較低水平，通過優(yōu)化增大活塞環(huán)組張力，可有效降低HC、CO的排放到5×10以下，達(dá)到近零排放水平。