暴秀超1，孫大偉

(1.西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都610039;2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京 100081)

近年來，嚴(yán)格的排放法規(guī)和對(duì)車輛碳排放的限制對(duì)內(nèi)燃機(jī)提出了很大的挑戰(zhàn)。氫內(nèi)燃機(jī)由于有著較高的熱效率、非常低的污染物排放和幾乎為零的碳排放，得到了研究人員的持續(xù)關(guān)注[1-2]。相比化油器式和缸內(nèi)直噴等氫氣引入的方式，氣道噴射氫氣具有效率高、成本低、對(duì)原汽油機(jī)改動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛采用[3]；然而，由于氫氣為氣態(tài)且密度低，氣道噴射會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)容積效率下降，進(jìn)而影響輸出的扭矩和功率[4]。此外，當(dāng)氫和空氣的混和氣的當(dāng)量燃空比小于0.55時(shí)，燃燒產(chǎn)物僅含有微量的氮氧化物；而當(dāng)量燃空比超過0.55后，燃燒產(chǎn)物中的氮氧化物會(huì)迅速增長到不可接受的程度[5]：因此，氫內(nèi)燃機(jī)通常會(huì)運(yùn)行在當(dāng)量燃空比小于0.55的限制下，輸出轉(zhuǎn)矩和功率會(huì)進(jìn)一步降低，故提高氣道噴射氫內(nèi)燃機(jī)的性能對(duì)于其在實(shí)際中的應(yīng)用有著重要意義。

現(xiàn)代汽油機(jī)通過 對(duì)進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)形成的壓力波來提高輸出性能[6-7]?？紤]到大量氫氣在噴入進(jìn)氣道時(shí)的壓力為400 kPa，對(duì)進(jìn)氣壓力波的擾動(dòng)不可忽視，能否合理利用這種影響達(dá)到增加發(fā)動(dòng)機(jī)容積效率，進(jìn)而提高輸出性能，成為了研究人員所關(guān)心的問題。Sierens等[8-9]分別在不同的氫發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)氫氣噴射時(shí)刻進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴氫時(shí)刻對(duì)低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩有著很大的影響，通過改變噴氫正時(shí)，功率輸出會(huì)有最大20%的差別；但受到試驗(yàn)條件的限制，其未能深入分析這一現(xiàn)象的機(jī)制。

本文將一臺(tái)汽油機(jī)改裝成為進(jìn)氣道噴射的氫內(nèi)燃機(jī)，通過試驗(yàn)研究不同噴氫時(shí)刻對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)壓力波動(dòng)的影響機(jī)制，并探討如何利用這一機(jī)制優(yōu)化噴氫正時(shí)，提高氫內(nèi)燃機(jī)的輸出性能。

1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)氫內(nèi)燃機(jī)是用一臺(tái)排量為2.0 L的氣道噴射汽油機(jī)改裝而來。該汽油機(jī)為直列4缸，雙頂置凸輪軸，16氣門，電控多點(diǎn)燃油噴射形式，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 原型汽油機(jī)參數(shù)

注：本文中壓縮上止點(diǎn)為0°。

保持原汽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(如缸徑、沖程和幾何壓縮比)等不變，針對(duì)燃用氫氣后所必須解決的問題，進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)：在每個(gè)進(jìn)氣歧管靠近氣缸蓋的位置加裝了氫氣噴射器；將原機(jī)的分組式點(diǎn)火系統(tǒng)改為各缸獨(dú)立的點(diǎn)火系統(tǒng)，使用冷型火花塞；在曲軸箱通風(fēng)管路上安裝了油氣分離裝置，避免潤滑油進(jìn)入氣缸形成熱點(diǎn)造成回火和早燃；使用自行開發(fā)的電控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的控制。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架及設(shè)備

氫內(nèi)燃機(jī)的主要測(cè)試設(shè)備除表2所列出的外，還包括水溫/油溫恒溫裝置、測(cè)量排放的AVL5組分分析儀和Horiba寬域氧傳感器。氫氣儲(chǔ)存在壓力為13 MPa的氣瓶集裝格中，經(jīng)兩級(jí)減壓后輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)，氫氣噴射的壓力為400 kPa。瞬態(tài)進(jìn)氣壓力測(cè)試裝置安裝在靠近進(jìn)氣歧管與缸蓋的位置，保證得到準(zhǔn)確的壓力數(shù)據(jù)。

表2 測(cè)試設(shè)備

2 結(jié)果和討論

為了分析氫氣噴射對(duì)氣體壓力波動(dòng)及空氣流量的影響規(guī)律，分別對(duì)無氫氣噴射的倒拖工況和有氫氣噴射的運(yùn)轉(zhuǎn)工況的進(jìn)氣歧管和集氣腔內(nèi)壓力波動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量和對(duì)比，結(jié)果如下所述。

2.1 倒拖工況的進(jìn)氣壓力波動(dòng)

圖1和圖2示出低轉(zhuǎn)速(1 000 r/min)和高轉(zhuǎn)速(3 400 r/min)時(shí)，集氣腔和進(jìn)氣歧管的壓力波動(dòng)曲線?？梢钥闯觯瑹o論在低速還是高速，集氣腔內(nèi)的壓力波動(dòng)都有4 個(gè)波峰，這是由于4個(gè)氣缸的進(jìn)氣歧管都連接在集氣腔，在一個(gè)工作循環(huán)中，每缸在進(jìn)氣沖程都產(chǎn)生一個(gè)膨脹波，形成了集氣腔壓力的波動(dòng)。通過比較圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn):低速時(shí)集氣腔壓力和進(jìn)氣歧管的壓力波形大致相仿，進(jìn)氣歧管的壓力主要被集氣腔內(nèi)壓力所影響；而高速時(shí)，進(jìn)氣歧管內(nèi)的壓力波動(dòng)幅值要明顯大于集氣腔，此時(shí)歧管自身壓力波的反射疊加是主要激勵(lì)，而且高速時(shí)的壓力波動(dòng)幅值也要大于低速的情況。

圖 1 低速時(shí)集氣腔和1缸歧管壓力曲線

圖 2 高速時(shí)集氣腔和1缸歧管壓力曲線

試驗(yàn)和數(shù)值分析都表明，如果在下止點(diǎn)后到進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)間段內(nèi)，歧管內(nèi)的壓力波動(dòng)使氣門處的壓力達(dá)到最大，則此時(shí)有最大的進(jìn)氣充量；因此，在低速時(shí)通過合理地設(shè)計(jì)進(jìn)氣管和集氣腔，使集氣腔壓力在特定轉(zhuǎn)速時(shí)的幅值和相位滿足上述要求，就會(huì)有較高的充量效率，而高速時(shí)，通過改變進(jìn)氣歧管長度來調(diào)整歧管內(nèi)壓力波動(dòng)的幅值和相位，可以在某段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到最大的充量效率。

由上所述，低、高速時(shí)進(jìn)氣歧管壓力波的主要影響因素是不同的，因此對(duì)于有氫氣噴射的情況也要分為低速和高速分別研究。

2.2 低速時(shí)氫氣噴射對(duì)進(jìn)氣壓力波的影響

圖3為轉(zhuǎn)速1 000 r/min、發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖工況和噴氫正時(shí)(SOI)為25 °CA BTDC時(shí)1缸進(jìn)氣歧管壓力曲線，混合氣當(dāng)量燃空比0.55，噴射壓力400 kPa?？梢钥闯觯簢姎浜笃绻艿膲毫η€與倒拖一樣有4個(gè)幅值較大的波峰，這是由于低速時(shí)歧管壓力的波動(dòng)主要是由集氣腔的壓力波動(dòng)引起的，噴氫對(duì)于后者的影響不大。在-25 °CA噴氫后，可以看到壓力由于氫氣噴射而上升，噴氫使得歧管自身引起的波動(dòng)頻率明顯增大。除了-25 °CA外，在分別相隔大約180 °CA的155 °CA、335 °CA和-205 °CA都可以觀察到壓力的上升，而這些正是第3、4和2缸噴氫的時(shí)刻，表明其他缸噴氫引起的壓力波也可以對(duì)本缸歧管壓力產(chǎn)生影響。

圖 3 噴氫和倒拖進(jìn)氣歧管壓力波對(duì)比

為了進(jìn)一步證明該現(xiàn)象，分別對(duì)噴氫角度相隔180 °CA(SOI=-25 °CA和SOI=155 °CA)和相隔220 °CA(SOI=-25 °CA和SOI=-245 °CA)的2組進(jìn)氣壓力波動(dòng)進(jìn)行了比較，如圖4所示。當(dāng)噴氫角度相隔180 °CA時(shí)，除了當(dāng)本缸噴射時(shí)引起壓力升高外，2個(gè)噴氫角度對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣壓力曲線在整個(gè)循環(huán)內(nèi)的波動(dòng)規(guī)律十分一致，表明其他缸噴射與本缸噴射對(duì)歧管壓力波的影響是相似的。而反之如果噴氫角度相隔不是180 °CA，例如220 °CA，可以看出其進(jìn)氣壓力波動(dòng)狀況有所區(qū)別。這也從反面證明了在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，進(jìn)氣歧管的壓力波動(dòng)不僅受到本缸氫氣噴射的影響，也會(huì)受到其他3個(gè)氣缸相隔180 °CA的激勵(lì)。

圖 4 不同噴氫正時(shí)進(jìn)氣歧管壓力波對(duì)比

圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 000 r/min下，改變噴氫正時(shí)所測(cè)得的空氣流量變化曲線?？梢钥闯觯諝饬髁侩S噴射開始角度的變化有著明顯的周期性，取得空氣流量波峰或波谷值的噴氫開始角度相隔大約180 °CA。原因如上文所述，在一個(gè)工作循環(huán)(720 °CA)內(nèi)，除了本缸的噴氫外，其他3缸的噴氫都會(huì)對(duì)本缸的進(jìn)氣壓力波產(chǎn)生影響，因此，空氣流量隨噴氫角度的變化會(huì)有4個(gè)峰值。

圖 5 不同噴氫正時(shí)下的空氣流量

氫氣噴射是如何影響進(jìn)氣歧管的壓力波動(dòng)，進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量呢？由于空氣流量隨噴氫時(shí)刻的變化有周期性，僅以相鄰的波谷(SOI=-245 °CA)和波峰(SOI=-165 °CA)為例進(jìn)行分析。圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min下，這2個(gè)噴射時(shí)刻的進(jìn)氣歧管壓力波動(dòng)曲線。氫氣噴射開始角度在下止點(diǎn)(-165 °CA)附近時(shí)，氫氣噴射使得下止點(diǎn)(-180 °CA)到進(jìn)氣門關(guān)閉(-140 °CA)期間的壓力高于在進(jìn)氣中期(-245 °CA)噴射的情況，故下止點(diǎn)開始噴射時(shí)取得較大的空氣流量；而噴氫正時(shí)為-245 °CA時(shí)，由于壓力波的疊加反射，使得下止點(diǎn)到進(jìn)氣門關(guān)閉期的壓力處于低值，因此空氣流量與其他噴射角度相比最小。

圖 6 不同噴氫正時(shí)歧管壓力曲線

圖5中的空氣流量最大值比最小值多4.4%，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出與空氣流量成正比，在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，優(yōu)化噴氫角度的情況會(huì)比未優(yōu)化的情況高出4.4%的轉(zhuǎn)矩輸出。

2.3 高速時(shí)氫氣噴射對(duì)進(jìn)氣壓力波的影響

由于在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下，影響進(jìn)氣壓力波動(dòng)的因素發(fā)生改變，因此還需要考察高速時(shí)噴氫對(duì)進(jìn)氣壓力波動(dòng)的影響是否與低速時(shí)相同。轉(zhuǎn)速3 400 r/min，噴氫開始角度-250 °CA，噴射壓力400 kPa，混合氣當(dāng)量燃空比0.55時(shí)1缸的進(jìn)氣歧管壓力曲線如圖7所示。通過與噴氫和倒拖時(shí)壓力曲線的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)氫氣噴射后歧管壓力也會(huì)上升，其他缸噴射的壓力波也會(huì)傳遞到本缸歧管內(nèi)，造成壓力的上升，氫氣噴射也會(huì)加強(qiáng)原本的氣壓波動(dòng)。與低速時(shí)不同的是，相對(duì)倒拖時(shí)壓力波動(dòng)的幅值，噴氫所造成的壓力上升幅值較小。

圖 7 進(jìn)氣壓力波動(dòng)與倒拖工況的比較

同樣，為了考察其他缸噴氫對(duì)本缸氣體波動(dòng)壓力的影響，選取與噴氫角度-250 °CA相差360 °CA(SOI=110 °CA)和90 °CA(SOI=-340 °CA)的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。與低速(1 000 r/min)時(shí)不同的是，即便噴射角度相差不是180 °CA的整數(shù)倍，歧管內(nèi)壓力波動(dòng)的情況也比較一致。這是由于高轉(zhuǎn)速時(shí)歧管內(nèi)壓力波動(dòng)幅值原本就很大，噴氫引起的壓力上升程度與低速相比相對(duì)降低。

圖 8 不同噴氫正時(shí)進(jìn)氣壓力波動(dòng)的比較

圖9為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 400 r/min時(shí)，改變噴氫正時(shí)所測(cè)得的空氣流量變化曲線?？梢钥闯觯涸谶M(jìn)氣中期(-270 °CA)噴氫時(shí)空氣流量最?。欢诳拷轮裹c(diǎn)(-220 °CA)噴氫時(shí)空氣流量最大；在其他角度噴射時(shí)空氣流量變化不大；最大空氣流量比最小空氣流量高出7.3%。圖10為轉(zhuǎn)速3 400 r/min時(shí)1缸進(jìn)氣歧管壓力曲線。圖中4條曲線分別代表氫氣噴射開始角度在進(jìn)氣中期(-280 °CA)和靠近下止點(diǎn)位置(-220 °CA)，以及噴氫角度與前兩者相差360 °CA(80 °CA和140 °CA)的壓力曲線。由圖9和圖10可以看出：在下止點(diǎn)附近噴射可以有效提高下止點(diǎn)到進(jìn)氣門關(guān)閉期間的壓力(如圖10所示)而增加空氣流量；而在進(jìn)氣中期噴射則會(huì)阻礙空氣的進(jìn)入，且使得下止點(diǎn)到進(jìn)氣門關(guān)閉期的壓力處于低值導(dǎo)致空氣流量減少。與低速時(shí)不同的是，在高速時(shí)噴氫對(duì)于進(jìn)氣壓力波動(dòng)的影響減弱，特別是對(duì)于其他缸噴氫傳遞到本缸的激勵(lì)效果更不明顯，使得在其他角度噴氫時(shí)對(duì)空氣流量的影響不及在本缸進(jìn)氣中期和下止點(diǎn)附近噴射對(duì)空氣流量的影響。

圖 9 不同噴氫正時(shí)下的空氣流量變化曲線

圖 10 不同噴射正時(shí)歧管壓力曲線

3 結(jié)論

本文在一臺(tái)氣道噴射的氫內(nèi)燃機(jī)上，通過改變不同的噴氫正時(shí)，研究了氫氣噴射對(duì)于進(jìn)氣道壓力波動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的影響，得到如下結(jié)論：

1)氫氣噴射會(huì)加強(qiáng)原有的進(jìn)氣壓力波動(dòng)，在氫氣噴射的時(shí)刻，進(jìn)氣壓力會(huì)有明顯升高；

2)不僅本缸氫氣噴射對(duì)相應(yīng)的歧管壓力有影響，其他缸氫氣噴射也會(huì)對(duì)本缸歧管壓力產(chǎn)生激勵(lì)作用；

3)低速時(shí)，在進(jìn)氣下止點(diǎn)和氣門關(guān)閉之間噴氫可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量，或者在前述區(qū)間相隔180°CA的區(qū)間噴氫，利用其他缸激勵(lì)也可增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，進(jìn)氣量最大可提高4.4%；

4)高速時(shí)，只有在本缸進(jìn)氣下止點(diǎn)和氣門關(guān)閉之間噴氫可獲得增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的最好效果，約為7.3%，其他缸激勵(lì)影響相對(duì)較小。

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