董永超，馬志豪，王 鑫，馬凡華

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

0 引言

天然氣摻氫(hydrogen enriched compressed nature gas，HCNG)燃料是在天然氣中摻入一定比例的氫氣，加快混合燃料的燃燒速率，拓寬混合燃料的稀燃極限，提高燃燒的定容度，進而使燃燒的效率得到提高[1-2]。由于氫氣制備成本高和氫氣發(fā)動機技術(shù)等方面的原因，天然氣摻氫混合燃料是氫能在發(fā)動機上應(yīng)用比較有前途和較為可行的方式。

大量研究表明：天然氣摻氫雖然在增加熱效率的同時可以降低CO的排放，但是過高的燃燒溫度同時也導(dǎo)致了NOX排放的增加[3-6]。目前，降低HCNG發(fā)動機NOX排放的主要方法是采用廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)技術(shù)和稀燃技術(shù)。文獻[7-8]在一臺天然氣摻氫發(fā)動機上結(jié)合EGR技術(shù)進行了發(fā)動機的燃燒和排放特性試驗，研究結(jié)果表明：引入EGR后可以在一定程度上提高有效熱效率，并顯著降低NOX排放。文獻[9]在一臺天然氣/氫氣混合燃料的缸內(nèi)直噴發(fā)動機上，通過引入EGR研究了摻氫比、EGR率及燃料噴射時刻對發(fā)動機性能和排放的影響，結(jié)果表明：NOX排放隨EGR率的增大而下降，隨摻氫比的增加而上升。文獻[10]在稀燃條件下研究了天然氣摻氫發(fā)動機的熱效率與排放性能，發(fā)現(xiàn)在最佳點火提前角(minimum spark advance for best torque,MBT)摻氫，可以一定程度上提高發(fā)動機的指示熱效率，降低未燃CH4和CO的排放，改善NOX與未燃碳氫的權(quán)衡關(guān)系。純天然氣結(jié)合EGR的燃燒與排放特性方面的研究已有很多[11-12]，但是HCNG結(jié)合EGR方面的研究還相對較少，且已有的研究都是在節(jié)氣門全開的條件下進行的，對部分節(jié)氣門開度下HCNG結(jié)合EGR的性能和排放的研究，尚缺少充分的數(shù)據(jù)積累。車用發(fā)動機經(jīng)常在部分負荷工況運轉(zhuǎn)，因此，開展部分節(jié)氣門開度下點火提前角對HCNG結(jié)合EGR技術(shù)的發(fā)動機性能和排放特性的研究具有重要意義。

1 試驗設(shè)備和試驗方法

本試驗所使用的發(fā)動機為濰柴動力股份有限公司生產(chǎn)的WP7NG240E51型長行程天然氣發(fā)動機，該發(fā)動機采用渦輪增壓加中冷，電控單點噴射，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 WP7NG240E51型天然氣發(fā)動機基本參數(shù)

臺架試驗在洛陽凱邁機電設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的CW260型電渦流測功機系統(tǒng)上開展。日本IBA公司生產(chǎn)的MEXA-7100EGR型排放分析儀用于測量有害物排放。廢氣經(jīng)過中冷器和EGR 閥引入進氣管。試驗過程中，中冷器的冷卻水流量固定不變，EGR率通過控制EGR閥開度實現(xiàn)，所有EGR率的控制與調(diào)節(jié)方式均為開環(huán)調(diào)節(jié)，EGR的進氣在增壓器前端，即低壓EGR。在試驗過程中可以通過調(diào)節(jié)不同的H/C值來測量不同摻氫比條件下的氣體排放。摻氫比和EGR控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 摻氫比和EGR控制系統(tǒng)

摻氫比控制系統(tǒng)的主要原理是在天然氣管道中安裝一個科里奧利力流量計，直接測量天然氣流量，并控制氫氣流量，進而得到目標(biāo)摻氫比。發(fā)動機的進氣量通過熱氣體質(zhì)量流量計(型號為Toceil20N100114LI)測量，其測量范圍為0～1 000 m/h，測量精度為1%，響應(yīng)時間為10 ms。天然氣和氫氣流量由DMF-1-1-5型科式流量計測量，其測量范圍為0～40 kg/h，測量精度為0.2%。缸壓數(shù)據(jù)用奇石樂公司生產(chǎn)的6118CF-4CQ03-4-1型壓電傳感器采集。

試驗時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，節(jié)氣門開度固定為50%，EGR率以摻氫比為0%時原機EGR率為基準(zhǔn)，基準(zhǔn)EGR率為10.8%，下限為0%，上限為每個摻氫比在試驗中所容許的最大值。試驗過程中，調(diào)節(jié)點火提前角到最佳(maximum brake torque，MBT)，氧傳感器安裝在排氣側(cè)，用來實時測量發(fā)動機排氣中的氧含量，并將空燃比信號傳遞給電子控制單元(electronic control unit,ECU)，在不同摻氫比和EGR率下維持過量空氣系數(shù)φa=1。每個工況連續(xù)采集101個循環(huán)的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，取其平均值用于計算放熱率等燃燒特性參數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 最佳點火提前角確定

圖2給出了不同摻氫比下最佳點火提前角與EGR率之間的關(guān)系。由圖2可知：在相同摻氫比下，最佳點火提前角隨著EGR率的增大而增大。這是由于隨著EGR率的增大，進入氣缸的廢氣增多，對進入氣缸的新鮮充量的稀釋作用增強，降低了氣缸內(nèi)的氧濃度，而且火花塞從點火到形成火核的時間變長，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟紵俣认陆?，后燃加重。因此，隨著EGR率的增大，需要增大點火提前角，才能減少活塞在膨脹做功沖程中的熱損失，提高燃燒的定容度，從而提高發(fā)動機的循環(huán)熱效率。

圖3給出了不同EGR率下最佳點火提前角與摻氫比之間的關(guān)系。從圖3中可以看出：隨著摻氫比的增加，最佳點火提前角減小。一方面，由于氫氣被點燃所需要的能量遠小于天然氣；另一方面，混合氣層流燃燒速度的增長幅度隨著氫氣比的增大而增大[13]，這是因為在相同條件(初始壓力、溫度、當(dāng)量比)下，氫氣燃燒速度高于以甲烷為主的天然氣。隨著摻氫比的提高，混合氣燃燒時火焰?zhèn)鞑ニ俣仍絹碓娇欤鸹ㄈ麖狞c火到形成火核的時間越來越短。若點火提前角仍然保持不變，會增加燃料在壓縮行程的燃燒比例，導(dǎo)致壓縮負功變大，壓力升高率也急劇升高，發(fā)生爆燃的可能性增大。因此，隨著摻氫比的提高，需要減小點火提前角來降低壓縮負功和壓力升高率，降低爆震發(fā)生的可能性，提高發(fā)動機的輸出功率，降低發(fā)動機的燃油消耗率。

圖2 最佳點火提前角與EGR率之間的關(guān)系

圖3 最佳點火提前角與摻氫比之間的關(guān)系

2.2 摻氫比和EGR率對發(fā)動機放熱規(guī)律的影響

為了給后續(xù)的性能與排放分析提供理論依據(jù)，比較了不同條件下的累計放熱量和瞬時放熱率。圖4a和圖4b分別是在摻氫比為0%和50%時的累計放熱量。由圖4a和圖4b可知：隨著EGR率的增加，累計放熱量有所降低，放熱量的斜率也有所降低，即放熱速率也有所下降。相同EGR率下，摻氫比為0%和50%的累計放熱量差距不大。圖4c和圖4d分別是摻氫比為0%和50%時不同EGR率下的瞬時放熱率曲線，同時在圖中標(biāo)注出了不同EGR率下從點火到放熱率達到最大值所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角。由圖4c和圖4d可知：在相同摻氫比下，隨著EGR率的增大，燃燒的放熱率峰值降低，從點火到放熱率達到最大值所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角增加，若保持點火提前角不變，放熱率峰值所對應(yīng)的曲軸相位一定會有所推遲。當(dāng)摻氫比為0%，EGR率大于20.8%時，缸內(nèi)溫度已經(jīng)很低，繼續(xù)增加EGR對放熱率峰值的影響并不明顯，反而會導(dǎo)致放熱率峰值的大幅度推遲，還可能會造成嚴(yán)重的失火現(xiàn)象，故摻氫比為0%，EGR率大于20.8%時的放熱率在圖中不予考慮。綜合圖4a～圖4d還可以看出：摻氫比對累計放熱量和放熱率峰值的影響并不明顯，當(dāng)摻氫比為0%時，隨著EGR率的增大，從點火到放熱率達到最大值所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角的變動也很大，點火需要大幅度提前；而當(dāng)摻氫比為50%時，隨著EGR率的增大，從點火到放熱率達到最大值所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角的變動很小，燃燒相對穩(wěn)定，因此摻氫可以提高EGR的使用比例。

2.3 摻氫比和EGR率對動力經(jīng)濟性的影響

圖5給出了不同摻氫比下平均有效壓力(brake mean effective pressure,BMEP)與EGR率之間的關(guān)系。從圖5中可以明顯看出：無論在何種摻氫比下，平均有效壓力都隨著EGR率的增大而降低。隨著EGR率的增大，跟隨新鮮空氣一起進入發(fā)動機氣缸的廢氣量增加，這就減少了新鮮充量所占的比例，進入氣缸內(nèi)燃料的總熱值降低，燃燒放熱量下降，導(dǎo)致平均有效壓力降低；由于EGR具有稀釋作用，導(dǎo)致缸內(nèi)的混合氣濃度下降，燃燒速率變慢，燃燒相同質(zhì)量的燃料時功率下降。

圖6給出了不同EGR率下平均有效壓力與摻氫比之間的關(guān)系。由圖6可知：平均有效壓力隨著摻氫比的增加呈略微下降的趨勢，且摻氫比越大，下降的趨勢越小。在摻氫比不大時，一方面，由于氫氣會占據(jù)部分進氣管，使在相同節(jié)氣門開度時進入氣缸的空氣量減少，如果維持過量空氣系數(shù)φa=1，一定會使進入氣缸的混合氣量減少，平均有效壓力降低；另一方面，由于氫氣的體積熱值僅為天然氣的1/3左右，天然氣摻入氫氣后相同體積的燃料熱值下降，且氫氣的壁面淬熄距離也僅為天然氣的1/3左右，因此傳熱損失也有所增加[14]，從而使平均有效壓力略有下降。但是隨著摻氫比的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾试絹碓娇?，縮短了燃燒持續(xù)期，提高了燃燒的定容度，減小了熱損失，從而導(dǎo)致平均有效壓力提高。這幾種因素的綜合作用導(dǎo)致隨著摻氫比的增加，平均有效壓力下降得越來越慢。由圖6還可以看出：在相同摻氫比時，平均有效壓力隨EGR率的增加有較大降幅。

圖7給出了不同摻氫比下有效熱效率與EGR率之間的關(guān)系。從圖7中可以看出：在不同摻氫比條件下，有效熱效率隨著EGR率的增大呈現(xiàn)出先升高再降低的趨勢，在摻氫比為30%及以下時，有效熱效率的最大值出現(xiàn)在EGR率為10.8%附近；在摻氫比為40%以上時，有效熱效率最大值出現(xiàn)在EGR率為15.8%附近。這一結(jié)果說明：隨著摻氫比的增加，有效熱效率峰值向高比例EGR率移動。在EGR率不大時，有效熱效率隨EGR率的增大而升高，可能原因為：引入廢氣后缸內(nèi)氣體的比熱比增大，從而提高熱效率；部分節(jié)氣門開度下，EGR可以降低泵氣損失，從而提高有效熱效率；EGR中存在部分活性自由基，對燃燒過程也起到一定改善作用[15]。隨著EGR率的進一步增大，廢氣對混合氣的稀釋作用越來越強，降低了缸內(nèi)燃燒溫度和氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使燃燒放熱持續(xù)期增加，缸內(nèi)壓力下降，燃燒的定容度降低，從而使有效熱效率顯著降低，且摻氫比例越低，有效熱效率下降的趨勢越明顯。

圖5 平均有效壓力與EGR率之間的關(guān)系

圖6 平均有效壓力與摻氫比之間的關(guān)系

圖8給出了不同EGR率下有效熱效率與摻氫比之間的關(guān)系。由圖8可知：在EGR率小于15.8%時，有效熱效率隨著摻氫比例的增加而略有下降。盡管小EGR率可以減少進氣過程的泵氣損失，摻氫對提高混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俾室灿欣?，但摻氫后氫氣會占?jù)部分進氣管，導(dǎo)致混合氣的體積熱值降低，燃燒放熱率下降，有效功率下降。上述原因綜合作用，使有效熱效率隨著摻氫比的增加而呈現(xiàn)出略有下降的趨勢。在EGR率大于15.8%時，有效熱效率隨著摻氫比的增加有所增加。在較大EGR率下，EGR對泵氣損失的減少作用越來越明顯，同時摻氫成為提高火焰?zhèn)鞑ニ俾实闹饕蛩?，所以隨著摻氫比的增加，有效熱效率也有所增加。

圖7 有效熱效率與EGR率之間的關(guān)系

圖8 有效熱效率與摻氫比之間的關(guān)系

2.4 摻氫比和EGR率對發(fā)動機排放的影響

圖9給出了不同摻氫比下NOX排放量與EGR率之間的關(guān)系。由圖9可知：在不同摻氫比下，NOX的排放量都隨著EGR率的增大而下降。EGR使NOX排放量降低的主要原因是廢氣對新鮮充量的稀釋作用，也有部分觀點認為是由于EGR對缸內(nèi)的降溫效應(yīng)[16]。在EGR率較小時，隨著EGR率的增大，對NOX排放量的降低作用明顯；而當(dāng)EGR率大于25.8%以后，NOX排放量隨著EGR率的繼續(xù)增大而下降緩慢。這是由于當(dāng)EGR率為25.8%左右時，缸內(nèi)溫度已經(jīng)很低，繼續(xù)增加EGR率對缸內(nèi)溫度的降低作用并不明顯，缸內(nèi)的失火現(xiàn)象加重，大量燃料不能完全燃燒，導(dǎo)致發(fā)動機的功率和有效熱效率都急劇下降。

圖10給出了不同EGR率下NOX排放量與摻氫比之間的關(guān)系。由圖10可知：NOX的排放量隨著摻氫比的增加而稍有增加。在較小EGR率下，過量空氣系數(shù)一定，反應(yīng)的氧濃度基本沒有發(fā)生變化，由于氫氣具有較高的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，隨著摻氫比的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍絹碓娇?，燃燒的定容度越來越大，缸?nèi)燃燒溫度升高，這是導(dǎo)致NOX排放量增加的主要原因。在EGR率較大時，摻氫比的增加對排放量的影響很小，這是由于在大EGR率下，缸內(nèi)溫度已經(jīng)很低，而且由于節(jié)氣門開度不變，摻氫比增加，在維持過量空氣系數(shù)不變的前提下，燃料量減少，使得燃燒放熱量降低，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，摻氫對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶岣邘缀蹩梢院雎圆挥?，因此大EGR率下的NOX排放量一直維持在較低的水平。

圖9 NOX排放量與EGR率之間的關(guān)系

圖10 NOX排放量與摻氫比之間的關(guān)系

圖11給出了不同摻氫比下CO排放量與EGR率之間的關(guān)系。由圖11可知：隨著EGR率的增大，CO排放量的變化不大，這是由于CO排放量主要與空燃比有關(guān)[17]，由于整個試驗過程的過量空氣系數(shù)都控制在1.0左右，CO排放量的變化也不是很高，所以相同摻氫比下CO排放量隨EGR率增大的變化幅度并不是很大。圖12給出了不同EGR率下CO排放量與摻氫比之間的關(guān)系。從圖12中可以明顯看出：隨著摻氫比的增加，CO的排放量降低，且摻氫比例越大，CO排放量降低得越明顯。摻氫后，混合物的H/C值增加，HCNG混合氣的C含量相對減少，摻氫比例越大，H/C值上升得越快，燃燒生成CO產(chǎn)物的量也會減少。此外，摻氫后混合氣的燃燒速率加快，缸內(nèi)燃燒溫度提高，燃燒得到改善，不完全燃燒現(xiàn)象減少，CO排放量降低。

圖11 CO排放量與EGR率之間的關(guān)系

圖12 CO排放量與摻氫比之間的關(guān)系

圖13給出了不同摻氫比下HC排放量與EGR率之間的關(guān)系。由圖13可知：隨著EGR率的增大，HC的排放量也隨之增加，且同一摻氫比下HC生成的速率有增加趨勢。HC排放量增加的原因主要有：隨著EGR率的增大，可燃混合氣變稀，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，不完全燃燒和失火的可能性增加，具體表現(xiàn)為氣缸壁溫度降低，壁面淬熄產(chǎn)生的未燃HC增加；隨著EGR率的增大，缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，?dǎo)致燃燒持續(xù)期變長，在膨脹中期，仍然有大量混合氣燃燒，活塞膨脹導(dǎo)致氣缸內(nèi)的燃燒溫度下降，低于HC的氧化溫度時，大量HC不能被有效氧化，產(chǎn)生“凍結(jié)”現(xiàn)象，在排氣沖程中被排出氣缸；隨著EGR率的增大，排溫降低，排氣中未燃HC的氧化量減少，造成排放增加。

圖14給出了不同EGR率下HC排放量與摻氫比之間的關(guān)系。由圖14可知：隨著摻氫比的增加，HC的排放量有所降低。摻氫后火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?，缸?nèi)燃燒溫度提高，HC的后期氧化量增加；摻氫后混合燃料中H/C值提高，由于氫氣中不含有碳原子，燃燒產(chǎn)物中無HC排放。以上兩點原因均使燃燒趨于完全，因此，發(fā)動機的HC排放量隨摻氫比的增加而降低。

圖13 HC排放量與EGR率之間的關(guān)系

圖14 HC排放量與摻氫比之間的關(guān)系

2.5 摻氫比和EGR率對發(fā)動機性能和排放影響的綜合分析

圖15 不同摻氫比和EGR率下NOX排放量和有效熱效率之間的關(guān)系

通過以上分析可知：發(fā)動機在引入EGR后，NOX排放量降低，但同時也會導(dǎo)致HC排放量的增加和有效熱效率的下降；而發(fā)動機在特定的EGR下，摻氫可以提高有效熱效率，但是也會增加NOX排放量。圖15給出了不同摻氫比和EGR率條件下發(fā)動機NOX排放量和有效熱效率之間的關(guān)系。圖15中，不同曲線的左側(cè)起點摻氫比為0%，終點摻氫比為50%；大橢圓標(biāo)記部分為綜合考慮的熱效率較高和NOX排放相對較低的區(qū)域，即發(fā)動機在EGR率為15.8%～20.8%，摻氫比為10%～50%時取得較好的綜合性能。特別是在EGR率為15.8%，摻氫比為40%時，即圖15中較小橢圓標(biāo)注部分，發(fā)動機的有效熱效率達到最佳，此時CO和HC的排放量也處于相對較低的水平，NOX排放量也相對較低，因此發(fā)動機在該工況下的最佳摻氫比為40%，最佳EGR率為15.8%，這與文獻[18]在低轉(zhuǎn)速下匹配較大摻氫比和較小EGR率的研究結(jié)果一致。此時，可以在現(xiàn)有天然氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)不做改動的情況下，實現(xiàn)高效率低污染燃燒。

3 結(jié)論

(1)最佳點火提前角隨著摻氫比的增加而推遲，隨著EGR率的增大而提前。

(2)隨著EGR率的增大，放熱率的峰值下降，放熱率峰值相位也有所推遲。

(3)平均有效壓力隨著EGR率的增大而降低，隨摻氫比的增加呈現(xiàn)先減小后穩(wěn)定的趨勢。在EGR率小于15.8%時，有效熱效率隨著摻氫比的增加而下降；在EGR率大于15.8%時，有效熱效率隨著摻氫比的增加有所增加。有效熱效率隨著EGR率的增大呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在EGR率為15.8%時達到最大值。

(4)隨著EGR率的增大，NOX排放量降低；隨著摻氫比的增加，NOX排放量增加。隨著EGR率的增大，CO排放量變化不大；隨著摻氫比的增加，CO排放量下降。隨著EGR率的增大，HC排放量增加；隨著摻氫比的增加，HC排放量降低。

(5)發(fā)動機在該工況下的最佳摻氫比為40%，最佳EGR率為15.8%。