摻氫比對氫-甲醇發動機稀薄燃燒及排放影響

姚 勇， 馬 毅， 王 坤， 劉 明， 謝思幽

（1. 工業和信息化部 裝備工業發展中心，北京 100846；2. 中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3. 車輛排放與節能重慶市重點實驗室，重慶 401122）

隨著我國汽車保有量的進一步增大，其污染物排放已經對環境造成了嚴重影響。為了保護環境，節能減排，2016年國家環保部聯合其他相關部委發布了較為嚴苛的排放法規——《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，給內燃機排放控制帶來了更大挑戰［1-4］。

為了應對當前嚴苛的排放法規，國內外專家對內燃機的替代燃料進行了大量的研究。比如甲醇燃料，其分子式為CH3OH，是一種含氧燃料，來源廣泛，同時具備和汽油極為相似的理化性質、便于運輸和燃燒后污染物排放少等優良的特性，因此，被公認為是21世紀最具發展潛力的替代燃料。不過甲醇燃料的推廣也面臨一些問題，比如甲醇的汽化潛熱很高，是汽油汽化潛熱的3倍，汽化潛熱過高且點火能量高使甲醇發動機冷啟動困難，在低溫環境下甚至會導致冷啟動失火現象，將增加污染物的排放。宮寶利等［5］研究了通過電熱塞輔助加熱，提高進氣溫度以改善甲醇發動機冷啟動性能，研究表明，當進氣溫度由283 K 提高到 293 K，燃燒滯燃期縮短了1.3 °CA，最高氣缸壓力和最高燃燒溫度分別升高 0.59 MPa 和165 K，未燃甲醇和甲醛排放濃度下降幅度分別為 49%和32%；當進氣溫度由 293 K升高到 313 K，提高進氣溫度對改善燃燒和降低醇醛排放的作用有一定程度下降；當進氣溫度超過 313 K ，提高進氣溫度對改善燃燒和降低醇醛排放效果微弱。彭樂高等［6］研究了通過提高進氣中氧氣含量改善甲醇發動機冷啟動性能研究，研究表明，提高進氣中氧氣含量可以在冷啟動工況下，有效提高活性基團 OH、O 和 H的摩爾濃度，從而促進甲醇燃燒“鏈式”反應，同時能夠加快甲醇燃燒速度，提高燃燒溫度減低醇醛類物質排放。針對甲醇燃料點火能量的理化性質，結合氫氣點火能量低的特性優點，為解決甲醇發動機冷啟動困難的難題，李朝暉等［7］研究了進氣摻氫對甲醇發動機的燃燒排放影響，研究表明，摻氫對促進點火時刻缸內自由基池增長有極其重要的影響，能先導觸發甲醇氧化“鏈反應”啟動，使甲醇氧化提前并更加劇烈，火焰傳播速度更快，能夠有效改善燃燒，且摻氫比例是影響 OH 自由基、未燃甲醇與甲醛質量分數的最主要因素，在過量空氣系數 1.4 的稀薄燃燒工況下，具有較低的未燃甲醇與甲醛排放量。然而，在目前的研究中，針對摻氫比對甲醇發動的燃燒及排放的影響的還較少，本文基于一臺1.8 L直列四缸渦輪增壓缸內直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發動機，燃料采用純度為M100的工業甲醇，研究在進氣中導入體積比分別為0%、3%、6%的H2對甲醇發動機燃燒及排放的影響。

1 試驗設備及方法

1.1 發動機試驗平臺

試驗所用的發動機詳細技術參數見表1。

表1 試驗發動機主要技術參數

發動機試驗平臺如圖1所示，試驗數據采集系統是AVL Puma Open 系統，H2采用的是用鋼制儲氫瓶儲集的純度為99%的工業H2。通過科里奧利流量計控制實現不同的摻氫比。

圖1 發動機試驗平臺

1.2 試驗測試平臺及邊界條件

本文主要是通過控制進氣道H2流量，在小負荷工況下（進氣歧管壓力為70 kPa）研究不同摻氫比對發動機稀薄燃燒和排放的影響，為確保試驗數據的準確性及可靠性，試驗及測試系統采用了較為先進的設備，其詳細參數見表2。

表2 測試設備技術參數

試驗邊界條件見表3。

表3 測試邊界條件

1.3 數據處理方法

本文通過控制節氣門開度控制進氣流量以及進氣道中H2的流量來控制摻氫比，摻氫比β計算公式定義如式（1）所示。

式中：β為摻氫比；VH2為H2的體積流量，L/min；Vair為進氣體積流量，L/min。

燃燒循環變動系數為缸內燃燒平均指示壓力的變動系數，詳細計算公式為：

式中：Pi是第i個循環的壓力平均值；P為連續k個循環的Pi的平均值，且當前取k=200。

本文試驗采用的是H2/甲醇雙燃料，燃空當量比Φ的計算公式為：

式中：mH2、mmet、mair分別為H2、甲醇、空氣的質量流量，g/min；AFstH2、AFstmet分別為H2、甲醇的理論空燃比。質量流量與體積流量的轉換關系與參考文獻［7］一致。

2 試驗結果及分析

2.1 不同摻氫比對稀薄燃燒的影響

不同摻氫比對甲醇發動機缸內燃燒壓力峰值及其對應的曲軸轉角如圖2所示。由圖2a可知，當燃空當量比小于0.845時，缸內燃燒壓力峰值隨摻氫比的增大而增大。隨著燃空當量比的增大，在不同摻氫比下，缸內燃燒壓力峰值均有增大的趨勢，且在摻氫比為0%、燃空當量比為1時缸內燃燒壓力峰值最高。原因是，當燃空當量比小于0.845時，缸內混合氣處于稀薄燃燒狀況，摻氫能夠提高混合氣的燃燒速率，進而提高燃燒的定容性，能夠有效提高缸內燃燒壓力峰值［8-10］。由圖2b可知，隨著燃空當量比的增大，摻氫對缸內混合氣燃燒速率的影響減弱，燃燒壓力峰值對應曲軸轉角差值逐漸減小；同時提高摻氫比，會減少甲醇的噴射量，由于氫氣的理論空燃比為34.35，遠大于甲醇的理論空燃比6.45，因此，減少摻氫和增大燃空當量比能增加甲醇噴射量，所以當摻氫比為0%且燃空當量比為1.0時，缸內燃燒壓力峰值更大。

由圖2b可知，提高摻氫比能夠減小缸內壓力峰值對應的曲軸轉角。當燃空當量比為0.625時，摻氫比為0%、3%、6%時，其燃燒壓力峰值對應的曲軸轉角分別為22.5 °CA ATDC、11.0 °CA ATDC、9.5 °CA ATDC。隨著燃空當量比增大，不同摻氫比下燃燒壓力峰值對應的曲軸轉角均減小。原因是，影響缸內混合氣燃燒速率的主要因素是燃空當量比和摻氫比，當燃空當量比小于0.83時，摻氫比對混合氣的燃燒速率影響更大。

圖2 摻氫比對稀薄燃燒缸內燃燒壓力及曲軸轉角的影響

不同摻氫比對甲醇發動機缸內燃燒放熱率峰值及其對應的曲軸轉角如圖3所示。由圖3a可知，放熱率峰值隨摻氫比增大而升高。不同摻氫比下的放熱率峰值，隨燃空當量比的增大而升高，當燃空當量比為1.0，摻氫比為0%、3%、6%時，對應的放熱率峰值分別為120.6 J/°CA、162.2 J/°CA及171.3 J/°CA。分析原因，氫氣本身具有助燃特性，摻氫能夠提高缸內混合氣燃燒速率，且摻氫比越大對缸內混合氣燃燒速率的提升越明顯［11-14］。

由圖3b可知，放熱率峰值對應曲軸轉角隨摻氫比增大而減小，且不同摻氫比下放熱率峰值對應曲軸轉角隨燃空當量比增大而減小，所以摻氫能夠提高缸內混合氣的燃燒速率。

圖3 摻氫比對稀薄燃燒下放熱率峰值及曲軸轉角影響

不同摻氫比對甲醇發動機燃燒相位CA10、CA50和CA10-90的影響如圖4所示。由圖4a可知，增大摻氫比可以有效縮短CA10。當摻氫比為0%時，隨著燃空當量比增大CA10具有先減小后增大的趨勢，當摻氫比為3%及6%時隨著燃空當量比增大CA10均減小。

分析其原因，CA10［15］表示缸內混合氣燃燒放熱量達到最大放熱量的10%，也就是火焰核心形成時期即“滯燃期”。氫氣具有點火能量低和燃燒速度快的特性，使其能助燃，因此，在稀薄燃燒下提高摻氫比能有效縮短CA10，且隨著燃空當量比增大而減小。當摻氫比為0%時，影響CA10的主要因素是燃空當量比和缸內混合氣溫度，當燃空當量比小于0.825時，燃空當量比對CA10影響起主要作用，所以，燃空當量比增大而CA10減小；當燃空當量比大于0.825時，向缸內噴射的甲醇量較大，由于甲醇汽化潛熱大，需要吸收大量的熱量，會使缸內混合氣溫度大幅降低，此時缸內的混合氣溫度對CA10的影響起主要作用，導致CA10增大。

由圖4b可知，增大摻氫比可以有效縮短CA50，當摻氫比由0%增大到3%時，CA50由37.9 °CA/ATDC減小到21.1 °CA/ATDC，當摻氫比繼續增大到6%時，CA50減小到19.9 °CA/ATDC，且不同摻氫比下CA50均隨燃空當量比增大而減小。分析其原因，CA50表示缸內混合氣燃燒放熱量達到最大放熱量的50%即“燃燒重心”，因氫氣本身的助燃特性，增加摻氫比，可以有效提高混合氣燃燒速率，進而減小CA50值。但是當摻氫比超過3%時，繼續增大摻氫比對缸內混合氣燃燒速率的提升很小，主要原因是，氫氣的理論空燃比為34.35遠大于甲醇的理論空燃比6.45，提高摻氫比雖然有助于提高缸內混合氣燃燒速率，但同時也會導致甲醇的噴射量減少，會導致缸內混合氣中甲醇含量減小，因此，過大的摻氫比對缸內混合氣燃燒速率的提升并不明顯。

由圖4c可知，當燃空當量比為0.625時，摻氫比由0%增大到3%時CA10-90（燃燒持續期）從19.2 °CA減小到12.3 °CA，摻氫比繼續增大到6%時CA10-90減小到11.5 °CA；不同摻氫比下增大燃空當量比能減小CA10-90，且當燃空當量比小于0.71效果最為顯著。分析其原因，CA10-90表示缸內混合氣的燃燒持續期，當燃空當量比為0.625時，摻氫比從0%增大到3%，由于氫氣本身的助然特性，能夠有效縮短CA10-90值。但當進一步增大摻氫比到6%，由于氫氣的理論空燃比為34.35，遠大于甲醇的理論空燃比6.45，提高摻氫比會導致甲醇量減小，因此，在氫氣的助燃作用和缸內甲醇量減小的綜合作用下，導致缸內混合氣較為稀薄，使CA10-90值僅略微減小。

圖4 摻氫比對稀薄燃燒下燃燒性能影響

不同摻氫比下缸內燃燒循環變動如圖5所示。由圖5可知，當燃空當量比為0.625時，摻氫比從0%增大到3%，燃燒循環變動COVimep從3.8減小到1.45；當摻氫比繼續增大到6%時，COVimep增大到1.6；當摻氫比小于3%時，COVimep隨著燃空當量比增大而減小；當摻氫比為6%且燃空當量比為0.71時，COVimep最小。

圖5 摻氫比對稀薄燃燒下燃燒循環變動影響

分析其原因，當摻氫比小于3%時，增大摻氫比有助于提高缸內混合氣的燃燒速率，增強燃燒穩定性，使COVimep減小。當摻氫比增大到6%時，因摻氫比增大會使甲醇的噴射量減小，從而導致缸內甲醇混合氣偏稀，不利于燃燒穩定性；當燃空當量比小于0.71時，氫氣助燃性對COVimep起主導作用；當燃空當量比大于0.71，因甲醇噴射量增大，甲醇蒸發吸收大量熱量，導致缸內混合氣溫度偏低不利于燃燒穩定性，使COVimep增大。

不同摻氫比下排氣溫度如圖6所示，由圖6可知，當燃空當量比為0.625時，摻氫比為0%、3%、6%時，排氣溫度分別為577 K、558 K、540 K；且隨著燃空當量比增大，不同摻氫比下的排氣溫度均增大，且都有摻氫比越大排氣溫度越低的趨勢。分析其原因，由圖3可知，增大摻氫比能夠增大放熱率峰值，且放熱率峰值對應曲軸轉角減小，能提高燃燒定容性，從而降低排氣溫度。

圖6 摻氫比對稀薄燃燒下排氣溫度影響

2.2 不同摻氫比下對稀薄燃燒排放影響

不同摻氫比對稀薄燃燒下的碳氫化合物（Hydrocarbon Compounds，HC）、一 氧 化 碳（Carbon Monoxide，CO）、氮氧化合物 （Nitrogen Oxides，NOx）的排放情況如圖7所示，由圖7a可知，當摻氫比為0%時，燃空當量比由0.625增大到1.0時，HC排放由0.93 g/kWh增大到1.9 g/kWh；當摻氫比為3%時，HC排放量在燃空當量比為0.71時達到峰值3.55 g/kWh；當摻氫比為6%時， HC排放量在燃空當量比為0.83時達到最小值1.62 g/kWh。

圖7 摻氫比對稀薄燃燒下的排放影響

分析其原因，HC生成的主要條件是低溫缺氧，因此，當摻氫比為0%時，隨著燃空當量比增大，缸內混合氣濃度增大，HC排放量增大；當摻氫比為3%時，摻氫有利于提高燃燒穩定性和減小HC排放；同時燃空當量比增大又不利于減小HC排放，在燃空當量比小于0.71時，燃空當量比對HC排放起主要作用，所以，HC排放量隨燃空當量比增大而升高；當燃空當量比大于0.71時，摻氫比對改善燃燒、減小HC排放量起主要作用，所以，HC排放量隨燃空當量比增大而降低。

由圖7b可知，當燃空當量比為0.625時，增大摻氫比能減小CO排放，且摻氫比為0%、3%、6%時，CO排放量分別為4.07 g/kWh、3.58 g/kWh、2.85 g/kWh。且隨著燃空當量比增大，不同摻氫比下CO排放量均具有增大的趨勢；當燃空當量比大于0.83時，摻氫比為3%和6%時，CO排放量隨燃空當量比增大顯著升高。

分析其原因，CO的生成條件是低溫缺氧。當燃空當量比小于0.83時，摻氫能改善燃燒，提高缸內燃燒溫度，所以能降低CO排放量；隨著燃空當量比進一步增大，由圖5可知，當摻氫比為3%時，缸內燃燒循環變動較大，尤其是當摻氫比為6%時，缸內燃燒循環變動進一步增大，缸內混合氣燃燒不穩定，加之燃空當量比增大，向氣缸內噴射的甲醇的量增多，使CO排放量升高。

由圖7c可知，當燃空當量比為0.625時，NOx排放量隨摻氫比增大而增大，摻氫比為0%、3%、6%時，NOx排放量分別為0.76 g/kWh、3.65 g/kWh、5.75 g/kWh。且隨著燃空當量比增大，不同摻氫比下NOx排放量均增大；當燃空當量比為1.0時，0%、3%、6%摻氫比下的NOx排放量分別為12.15 g/kWh、10.8 g/kWh、11.24 g/kWh。

分析其原因，NOx生成的原因是高溫富氧［16］，當燃空當量比為0.625時，由圖3和圖6可知，增大摻氫比，由于著火提前，放熱峰值更高，缸內燃燒溫度提高，所以NOx排放量增大；隨著燃空當量比增大，缸內燃燒速率進一步提高，燃燒溫度升高，使NOx排放量隨燃空當量比增大而升高。

3 結論

（1）在稀薄燃燒條件下，增大摻氫比能提高發動機缸內最高燃燒壓力及放熱率峰值，且燃燒相位提前，燃燒持續期縮短。

（2）不同燃空當量比下，提高摻氫比均能夠改善缸內燃燒，有助于提前CA10、CA50，縮短CA10-90，且在不同摻氫比下，隨燃空當量比增大而均減小。

（3）在稀薄燃燒情況下，適當摻氫有助于改善循環變動，混合氣越稀改善效果越好，但隨之燃空比和參氫量增大時，循環變動有惡化的趨勢。

（4）隨著燃空當量比增大，不同摻氫比下排氣溫度均增大，但摻氫比越大排氣溫度越低。

（5）當燃空當量比大于0.71時，增大摻氫比能改善HC排放；當燃空當量比大于0.83時，摻氫能改善NOx排放，但增大摻氫比后CO排放惡化；當燃空當量比小于0.83時，增大摻氫比導致NOx排放惡化但CO排放降低。