張志軍，牛 軍，郝勇剛，王繼新，陳晉兵，王尚學(xué)，牛海杰

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所（天津），天津 300400）

迫于日漸嚴(yán)格的排放限制和石油燃料匱乏的壓力，國(guó)際上廣泛開展內(nèi)燃機(jī)替代燃料的尋求及應(yīng)用研究。H2以其高效潔凈和資源永久再生等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是后石油時(shí)代最有潛力的內(nèi)燃機(jī)燃料［1］。

氫燃料具有燃燒速度快、著火界限寬和質(zhì)量放熱率高的特性，在柴油機(jī)進(jìn)氣中摻混一定比例的H2，利用柴油壓燃所形成的多個(gè)著火中心快速引燃進(jìn)入燃燒室內(nèi)的H2預(yù)混合氣，從而在柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)稀薄預(yù)混合H2的燃燒，可以改善缸內(nèi)的燃燒過(guò)程，提高柴油機(jī)的熱效率［2－3］，也為燃燒過(guò)程控制提供了很大的靈活性［4］。國(guó)內(nèi)外大多數(shù)對(duì)氫燃料的研究聚焦于在進(jìn)氣中加入純氫氣對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響。但是，當(dāng)從進(jìn)氣道向氣缸內(nèi)引入氫氣時(shí)，柴油機(jī)實(shí)際空氣進(jìn)氣量減少，混氫柴油機(jī)當(dāng)量空燃比減小，缸內(nèi)燃燒溫度急劇增高，NOx排放變得更加嚴(yán)重；再者，氫內(nèi)燃機(jī)的回火、早燃和爆震等不正常燃燒現(xiàn)象難以在面工況得以控制；另外，H2的制備成本高、車載儲(chǔ)存系統(tǒng)復(fù)雜及安全管理等瓶頸技術(shù)并沒(méi)有完全解決［1］。上述問(wèn)題在一定程度上制約了H2在內(nèi)燃機(jī)上的研究應(yīng)用和氫燃料汽車的商業(yè)化進(jìn)程。因此，要實(shí)現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)的推廣應(yīng)用價(jià)值，需要從H2制備方法、進(jìn)氣混合氣模式、燃燒過(guò)程控制等方面尋找新的技術(shù)措施和手段。

為克服上述在柴油機(jī)進(jìn)氣中摻入純H2帶來(lái)的不利影響，筆者采用以H2－O2混合氣的形式進(jìn)入氣缸的摻混模式，研究進(jìn)氣摻氫對(duì)柴油機(jī)性能及排放的影響。利用1臺(tái)小型車載式制氫裝置電解水制取H2和O2，以H2－O2混合氣的形式通入柴油機(jī)進(jìn)氣管。該進(jìn)氣混合氣模式彌補(bǔ)了純H2占據(jù)進(jìn)氣道空間使得實(shí)際進(jìn)氣量減少和因H2燃燒需要額外增加的O2消耗量，而不會(huì)降低柴油機(jī)的充氣效率和過(guò)量空氣系數(shù)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了H2的存儲(chǔ)及供氣系統(tǒng)。上述車載制氫裝置的應(yīng)用及進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2的模式有望保持柴油機(jī)功率不變而提高原柴油機(jī)的燃燒效率，同時(shí)改善排放特性，為H2在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用及柴油機(jī)燃燒過(guò)程的控制提供了一條新的技術(shù)途徑。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為HC4132直列4缸、四沖程、增壓中冷、直噴式柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 HC4132柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

制氫裝置為Epoch EP－500車載式電解水 H2發(fā)生器，設(shè)備供電電源為24V直流電源，純凈水要求雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于1×10－6。

試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)連接，制氫裝置由外部電源供電（在車上可以由蓄電池供電），電解水產(chǎn)生的H2和O2不經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)直接通過(guò)2根單獨(dú)的管路流經(jīng)除濕器和流量計(jì)引入到壓氣機(jī)前的進(jìn)氣總管，考慮試驗(yàn)的安全性，H2－O2混合氣流量設(shè)定為6.9L／min。

1.2 試驗(yàn)方法

在HC4132柴油機(jī)上進(jìn)行進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2和不摻混附加燃料時(shí)的外特性及負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)。負(fù)荷特性試驗(yàn)時(shí)，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)混合H2－O2前后在相同狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比，同一運(yùn)行工況需要控制中冷后進(jìn)氣溫度、柴油溫度、回水溫度等發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)保持基本一致，各工況點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不少于5min。測(cè)試過(guò)程中記錄柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、燃料消耗量、排氣溫度、缸內(nèi)燃燒壓力、排放數(shù)據(jù)、H2－O2混合氣流量以及其他常規(guī)測(cè)量參數(shù)。

1.3 H2與柴油特性對(duì)比

H2與柴油相比，燃燒速度快、熱值高，更適合稀薄燃燒。H2與柴油特性的對(duì)比（25℃，0.1 MPa）見(jiàn)表2［5］。

表2 H2與柴油特性對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)力性

柴油機(jī)進(jìn)氣中預(yù)混合H2－O2后外特性點(diǎn)扭矩均有提升，圖2示出了外特性點(diǎn)各轉(zhuǎn)速扭矩的變化，1 500r／min 時(shí) 扭 矩 從 945.3N·m 增 加 到986.7N·m，增幅為4.2%。這是由于柴油－氫氣混合燃料比柴油更易于著火和燃燒的緣故；同時(shí)，預(yù)混合H2－O2后進(jìn)氣中O2的濃度大于加氫前的O2濃度，促進(jìn)了燃燒。

2.2 經(jīng)濟(jì)性

進(jìn)氣中預(yù)混H2－O2后，利用柴油壓燃所形成的多個(gè)著火中心引燃燃燒室內(nèi)的稀薄氫預(yù)混合氣，氫氣火焰的快速傳播又促進(jìn)了缸內(nèi)燃料混合、柴油擴(kuò)散燃燒的火焰面前進(jìn)速度以及火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，從而使燃料燃燒更加充分，提高了燃燒效率。

Epoch EP－500電解水制氫裝置產(chǎn)生6.9L／min的 H2－O2混合氣，功耗約為0.3kW。

圖3示出了安裝制氫裝置后整個(gè)系統(tǒng)較燃用柴油時(shí)在不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷下有效熱效率的變化。在1100r／min，25%負(fù)荷時(shí)熱效率提高最大，從24.28%提高到25.24%，增幅為3.81%。

燃料消耗率表征了柴油機(jī)的熱效率。圖4用柴油節(jié)油率和綜合節(jié)油率來(lái)表示進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2后柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性變化。綜合燃料消耗率表示為

式中：b為綜合燃料消耗率；bD為柴油消耗率；bH2為H2消耗率；HuH2為氫氣的低熱值；HuD為柴油的低熱值。

通過(guò)比較柴油節(jié)油率曲線和綜合節(jié)油率曲線可知，在低負(fù)荷區(qū)節(jié)油率較高，在1 000r／min，25%負(fù)荷時(shí)柴油節(jié)油率為5.27%，綜合節(jié)油率為3.81%。隨著負(fù)荷的增加節(jié)油率呈下降趨勢(shì)，這是由于進(jìn)入進(jìn)氣管內(nèi)的H2－O2混合氣氣量是固定的，柴油消耗量的增量大于負(fù)荷的增量。

2.3 空燃比的變化

H2－O2混合氣被引入到進(jìn)氣管中代替了部分進(jìn)氣空氣，由于H2－O2混合氣中O2體積分?jǐn)?shù)是空氣中O2體積分?jǐn)?shù)的1.67倍，這就增加了進(jìn)氣中O2的含量，促進(jìn)了柴油的初期燃燒，也導(dǎo)致了如前所述的熱效率的提高和燃油消耗率的降低。當(dāng)量空燃比可以表示為

式中：Gair為空氣質(zhì)量流量；ρH2－O2為混合氣密度；ρa(bǔ)ir為空氣密度；VH2－02為混合氣體積流量；Gf為柴油質(zhì)量流量。

圖5示出了 HC4132柴油機(jī)1 100r／min和1 500r／min不同負(fù)荷下進(jìn)氣預(yù)混合 H2－O2后當(dāng)量空燃比的變化。可以看出，空燃比較燃用柴油時(shí)均有不同程度的增加，空燃比增量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨負(fù)荷的增加而降低，1 100r／min時(shí)當(dāng)量空燃比最大增加4.47%。

2.4 排放特性分析

柴油機(jī)排放物主要有CO，CO2、未燃HC化合物、NOx及PM等，其中NOx及PM是最主要的排放污染物［6］。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析柴油機(jī)進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2后，由于H2－O2對(duì)柴油燃燒過(guò)程中的協(xié)同作用引起的排放變化。

進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2對(duì)各種排放物的影響用貢獻(xiàn)率來(lái)表示：

2.4.1 對(duì)外特性排放物的影響

圖6示出了進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2對(duì)外特性工況排放的影響。由圖可知：在外特性各工況點(diǎn)，進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2對(duì)炭煙排放貢獻(xiàn)率較大，最大降幅為25.71%；HC排放最大降幅為16.79%；CO排放最大降幅為11.64%；NOx排放有所增加，最大增幅為7.03%。

2.4.2 對(duì)負(fù)荷特性排放物的影響

從進(jìn)氣管通入6.9L／min的 H2－O2混合氣，調(diào)節(jié)油門保持預(yù)混合H2－O2前后發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩不變，考查發(fā)動(dòng)機(jī)1 100r／min時(shí)預(yù)混合 H2－O2對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響。

2.4.2.1 HC排放

圖7示出了1 100r／min時(shí)進(jìn)氣預(yù)混合 H2－O2對(duì)HC排放的影響及變化規(guī)律。由圖可知，在整個(gè)負(fù)荷特性下的HC排放量均有不同程度地降低，最大降幅為10.81%。這一方面是由于H2本身燃燒后不產(chǎn)生HC；另一方面，當(dāng)柴油中摻入H2－O2后，預(yù)混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤紵掷m(xù)期變短，氧化更加充分；再加上缸內(nèi)燃燒溫度的提高促進(jìn)了未燃HC的氧化，從而進(jìn)一步降低了HC排放量。

2.4.2.2 CO排放

圖8示出了1 100r／min時(shí)進(jìn)氣預(yù)混合 H2－O2對(duì)CO排放的影響及變化規(guī)律。由圖可知，在小負(fù)荷時(shí)CO排放量增加，大負(fù)荷時(shí)CO排放量降低，最大降幅為3.16%。理論上柴油中摻入少量H2后，CO排放量應(yīng)呈減小趨勢(shì)，一方面H2本身燃燒后不產(chǎn)生CO，另一方面是因?yàn)閾綗鼿2后可以提高火焰的溫度和傳播速度，混合氣中氧濃度的增加共同促使CO進(jìn)一步氧化。進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2后小負(fù)荷時(shí)CO排放量增加，可能是由于小負(fù)荷時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)的進(jìn)一步增加使得缸內(nèi)溫度降低，過(guò)稀不著火的邊緣區(qū)域形成較多的CO所致。

2.4.2.3 NOx排放

影響NOx生成的因素主要有缸內(nèi)燃燒溫度、高溫持續(xù)時(shí)間和缸內(nèi)氧的濃度。圖9示出了1 100r／min負(fù)荷特性下進(jìn)氣預(yù)混合 H2－O2對(duì) NOx排放的影響及變化規(guī)律。由圖可知，在整個(gè)負(fù)荷特性下的NOx排放量均有所增加。當(dāng)引入H2－O2混合氣時(shí)，缸內(nèi)最高溫度及氧濃度增加，盡管柴油與H2的混合實(shí)現(xiàn)了稀燃，縮短了高溫持續(xù)時(shí)間從而減少了NOx排放，但缸內(nèi)最高燃燒溫度和氧濃度對(duì)NOx生成的影響更大。由于小負(fù)荷時(shí)O2濃度較大，大負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度較高，從而導(dǎo)致進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2后對(duì)NOx貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為小負(fù)荷和大負(fù)荷增加較多，而在中等負(fù)荷增加較少。

2.4.2.4 炭煙排放

圖10示出了1 100r／min負(fù)荷特性下進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2對(duì)炭煙排放的影響及變化規(guī)律。由圖可知，引入H2－O2后，波許煙度值在各負(fù)荷下均有所降低，大負(fù)荷時(shí)這種抑制效果愈加明顯，最大降幅為28.33%。相同工況時(shí)，引入H2－O2混合氣減少了柴油循環(huán)噴油量，從而使炭煙排放降低；同時(shí)，H2的燃燒提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，促進(jìn)了缸內(nèi)燃燒過(guò)程，也加速了缸內(nèi)炭煙排放的進(jìn)一步氧化。

3 結(jié)論

a）車載制氫裝置的應(yīng)用及進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2的摻燒模式為H2在柴油機(jī)上的應(yīng)用提供了行之有效的技術(shù)途徑；

b）柴油機(jī)進(jìn)氣預(yù)混合H2－O2在柴油燃燒過(guò)程中的協(xié)同作用可以提高柴油機(jī)的熱效率并改善排放特性；

c）在面工況范圍內(nèi)進(jìn)氣預(yù)混合微量H2－O2可以降低柴油機(jī)的綜合燃油消耗率，大幅度降低HC排放，但NOx排放有少量增加；

d）H2－O2混合氣與柴油的質(zhì)量摻燒比在柴油機(jī)各工況運(yùn)行時(shí)均有一個(gè)最佳值，可以通過(guò)全工況的摻燒比MAP標(biāo)定來(lái)提高柴油機(jī)綜合性能。

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