郝嘉田，孫柏剛

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 概述

政府間氣候變化專門委員會(huì)指出，實(shí)現(xiàn)1.5 ℃的溫控目標(biāo)有望避免氣候變化給人類社會(huì)和自然生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的負(fù)面影響，這需要全球共同努力降低碳排放。在實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰[1]的過(guò)程中，開發(fā)利用氫能等清潔能源替代傳統(tǒng)化石能源非常重要。

目前以電能作為動(dòng)力的車輛存在行駛里程短的問題，使用增程器是解決此問題的有效手段。目前增程器市場(chǎng)主要由汽油機(jī)占據(jù)，但已經(jīng)有研究圍繞氫內(nèi)燃機(jī)[2]及燃料電池[3]展開。氫內(nèi)燃機(jī)相比其他技術(shù)手段，需要在提高熱效率降低氮氧化物(NOx)排放兩方面進(jìn)行更多的探索研究。氫氣本身辛烷值較高，提升氫內(nèi)燃機(jī)壓縮比來(lái)優(yōu)化熱效率是常見技術(shù)手段；但提升壓縮比會(huì)帶來(lái)爆震及排放升高問題。解決這兩個(gè)問題的技術(shù)手段有很多，其中廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation， EGR)技術(shù)和米勒循環(huán)技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，對(duì)于抑制爆震及減少排放均有明顯的效果[4]。文獻(xiàn)[5-6]中對(duì)這兩種技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，證實(shí)了兩種技術(shù)對(duì)爆震的抑制作用，但沒有進(jìn)一步探討其對(duì)排放性能的影響。文獻(xiàn)[7]中在進(jìn)行新一代氫內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)時(shí)及文獻(xiàn)[8]中對(duì)一臺(tái)大型氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行優(yōu)化研究時(shí)，均將兩種技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，在氫內(nèi)燃機(jī)上達(dá)到了提高熱效率和降低NOx排放的目的，但沒有對(duì)抑制爆震的效果進(jìn)行具體的探討。

對(duì)EGR展開的研究很多，如：文獻(xiàn)[9]中對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)上使用EGR技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明EGR可以降低缸內(nèi)燃燒壓力，從而使燃燒處于爆震區(qū)域以外；文獻(xiàn)[10]中對(duì)冷卻EGR技術(shù)結(jié)合優(yōu)化壓縮比來(lái)提升汽油機(jī)的熱效率展開研究，明確了冷卻EGR技術(shù)對(duì)高幾何壓縮比的內(nèi)燃機(jī)有規(guī)避爆震的作用，認(rèn)為試驗(yàn)用的汽油機(jī)最佳幾何壓縮比處于 10～11 范圍；文獻(xiàn)[11]中通過(guò)試驗(yàn)分析了降低氫內(nèi)燃機(jī)NOx排放的多種手段，指出EGR技術(shù)相比延遲點(diǎn)火的方式更有效，且對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響較小。

關(guān)于米勒循環(huán)提升經(jīng)濟(jì)性及降低排放的研究也很多，如：文獻(xiàn)[12]中針對(duì)應(yīng)用米勒循環(huán)的直噴汽油機(jī)將壓縮比提升至12展開性能研究，認(rèn)為進(jìn)氣門提前關(guān)閉(early intake valve closing， EIVC)相比進(jìn)氣門延后關(guān)閉(late intake valve closing， LIVC)對(duì)于高壓縮比下提升經(jīng)濟(jì)性更有優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[13]中對(duì)米勒循環(huán)應(yīng)用于可變壓縮比的汽油機(jī)進(jìn)行了研究，在避免爆震的情況下少數(shù)工況可以將壓縮比提升到20，但沒有具體分析對(duì)排放的影響；文獻(xiàn)[14]中利用EIVC來(lái)優(yōu)化增壓氫內(nèi)燃機(jī)的性能，在保持NOx排放不變的情況下，EIVC可以使氫內(nèi)燃機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，表明了EIVC對(duì)排放也有正面作用。

提高壓縮比是提升氫內(nèi)燃機(jī)效率的有效手段，但提高壓縮比往往受到爆震和NOx排放的制約。總的來(lái)看，氫內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用EGR技術(shù)和米勒循環(huán)技術(shù)來(lái)解決這一矛盾的研究較少。本研究中通過(guò)仿真分析，對(duì)比了兩種技術(shù)在氫內(nèi)燃機(jī)內(nèi)抑制爆震和NOx排放的效果，對(duì)比分析了冷EGR與熱EGR及EIVC和LIVC的區(qū)別，探索了解決氫內(nèi)燃機(jī)中高壓縮比和爆震及排放之間矛盾的技術(shù)路線；結(jié)合兩種技術(shù)探討了研究用氫內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)定工況下提高壓縮比的可行性及降低NOx排放的最佳效果。氫內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用EGR技術(shù)和米勒循環(huán)技術(shù)來(lái)同時(shí)達(dá)到高效率低排放目標(biāo)的研究較少，本文最后，結(jié)合了兩種技術(shù)，使研究用的氫內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)定工況下，達(dá)到了效率和排放的仿真最佳結(jié)果，對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)高效率低排放的技術(shù)路線選擇具有積極的指導(dǎo)意義。

1 研究準(zhǔn)備

1.1 內(nèi)燃機(jī)及模型介紹

用建模仿真的方式來(lái)進(jìn)行研究，仿真模型用Ricardo WAVE軟件搭建，模型基于一臺(tái)增程用途進(jìn)氣道噴射火花點(diǎn)火氫內(nèi)燃機(jī)，其基本參數(shù)見表1。

表1 內(nèi)燃機(jī)基本參數(shù)

為了更符合氫內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，本研究中對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行了增壓匹配的仿真，以Garrett公司的公開數(shù)據(jù)為參考，匹配了GT2056系列渦輪增壓器。本研究中建立的氫內(nèi)燃機(jī)的模型如圖1所示，所使用的壓氣機(jī)的特性曲線圖如圖2所示。

圖1 進(jìn)氣道噴射氫內(nèi)燃機(jī)的Ricardo WAVE計(jì)算模型

圖2 壓氣機(jī)的性能曲線圖

為了提升增程用氫內(nèi)燃機(jī)工作的高功率點(diǎn)的性能，選取3 000 r/min作為研究轉(zhuǎn)速，并根據(jù)轉(zhuǎn)矩輸出選擇了最佳轉(zhuǎn)矩輸出的工況點(diǎn)(即噴氫脈寬為 5.8 ms，燃空比為0.56，點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前15°曲軸轉(zhuǎn)角)展開研究。設(shè)定了目標(biāo)功率，要求高功率點(diǎn)功率提升30%，為此進(jìn)行了渦輪增壓與內(nèi)燃機(jī)的整機(jī)匹配，在此工況點(diǎn)需要使增壓壓力達(dá)到 120 kPa。在工況不變的情況下，不斷提高氫內(nèi)燃機(jī)壓縮比，利用EGR技術(shù)及米勒循環(huán)技術(shù)來(lái)抑制可能存在的爆震，同時(shí)降低NOx排放，最后對(duì)兩種技術(shù)進(jìn)行分析對(duì)比。

為了驗(yàn)證模型的可靠性，利用自然吸氣狀態(tài)的氫內(nèi)燃機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。選取了前文提到的工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)與仿真，將所獲得的燃燒壓力曲線與放熱率曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。燃燒壓力變化仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大偏差約為3.4%，放熱率最大偏差約2.8%，兩組數(shù)據(jù)達(dá)到最大值的位置偏差均小于3%，整體吻合良好，可以推斷仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的差距處于可以接受的范圍內(nèi)。

圖3 燃燒壓力和放熱率曲線的模型驗(yàn)證

1.2 仿真模型簡(jiǎn)介

本研究中建立的氫內(nèi)燃機(jī)模型使用了韋伯燃燒模型，此模型參數(shù)用研究工況點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定。軟件中火花點(diǎn)火韋伯模型采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中，W為累積燃燒分?jǐn)?shù)；θ為從開始燃燒之后經(jīng)過(guò)的曲軸轉(zhuǎn)角；A為自動(dòng)計(jì)算的參數(shù)；Bdur為燃燒持續(xù)期；Wexp為韋伯因數(shù)。研究所用工況點(diǎn)Bdur和Wexp分別為20.1°和0.975。

傳熱模型、摩擦模型和排放模型基于多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)選擇，通過(guò)選取不同工況點(diǎn)的多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)與不斷修改參數(shù)得到的仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，得到了最佳的模型參數(shù)。最終指示熱效率、摩擦平均有效壓力、有效轉(zhuǎn)矩和NOx排放的數(shù)據(jù)均滿足絕大多數(shù)數(shù)據(jù)均處于10%誤差以內(nèi)的校核結(jié)果。

氫內(nèi)燃機(jī)仿真的傳熱模型選擇有過(guò)許多討論，在混合氣較稀的情況下許多研究者[15-16]使用沃西尼模型取得了不錯(cuò)的校核效果。本研究中也使用沃西尼模型，其傳熱系數(shù)的計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中，hg為沃西尼傳熱系數(shù)；D為氣缸直徑；p為氣缸內(nèi)的壓力；T為氣缸內(nèi)的溫度；vc為特征速度，由活塞速度及燃燒相關(guān)速度計(jì)算得到；C為修正系數(shù)，在進(jìn)氣門打開時(shí)為1.25，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)為1.20。

摩擦模型采用了Chen-Flynn摩擦模型，其對(duì)摩擦平均有效壓力的計(jì)算如式(3)所示。

(3)

式中,F為摩擦平均有效壓力;pmax為氣缸內(nèi)的最高燃燒壓力;S為各氣缸的壓力和沖程相關(guān)的參數(shù);n為氣缸數(shù);Ac、Bc、Cc和Qc均為用戶自定義的參數(shù)，本研究中分別選取0.5、0.009、100、0.1。

NOx排放基于Zeldovich機(jī)理進(jìn)行仿真，主要依靠式(4)和式(5)進(jìn)行計(jì)算分析。

R1=A·ARC1·eTa·AERC1/T1

(4)

R2/3=A·eTa/T

(5)

式中，R1、R2/3分別為NO被還原為氮?dú)夂偷獨(dú)獗谎趸癁镹O的化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度；A為常數(shù)，軟件默認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)值為1；ARC1和AERC1為用戶定義參數(shù)，本研究中分別選取為1.5和1；Ta為反應(yīng)的激活溫度；T1為已燃區(qū)溫度。氧化和還原反應(yīng)的速率決定了產(chǎn)生NOx的量。

研究使用的爆震模型基于Douaud和Eyzat兩人提出的對(duì)于爆震現(xiàn)象的計(jì)算方法建立。利用此模型來(lái)分析氫內(nèi)燃機(jī)的爆震現(xiàn)象也有許多先例。此模型中，最主要的參數(shù)是未燃?xì)怏w的誘導(dǎo)時(shí)間(點(diǎn)火延遲)，相關(guān)公式見式(6)。

(6)

式中，τ為誘導(dǎo)時(shí)間；Ap和AT均為自定義的參數(shù)，本研究中均取1；Oon為燃料的辛烷值，氫氣的辛烷值取130；T2為未燃?xì)怏w的溫度。誘導(dǎo)時(shí)間小于火焰?zhèn)鞑サ轿慈細(xì)怏w的時(shí)間時(shí)就會(huì)出現(xiàn)爆震。同時(shí)通過(guò)軟件計(jì)算爆震強(qiáng)度K，其定義為發(fā)生爆震時(shí)氣缸內(nèi)未燃燃料的質(zhì)量與總的燃料質(zhì)量的比值，但根據(jù)文獻(xiàn)[18]中對(duì)爆震強(qiáng)度參數(shù)的分析，這種計(jì)算方式的不確定性較大。本研究中基于文獻(xiàn)[18-19]，用缸內(nèi)燃燒壓力震蕩的最大振幅(maximum amplitude pressure oscillation， MAPO)表示爆震強(qiáng)度，并利用MATLAB軟件對(duì)缸內(nèi)的壓力變化曲線進(jìn)行帶通濾波，以4 kHz為截止頻率處理得到振蕩曲線，再求其最大振幅，即為該情況下的爆震強(qiáng)度。研究中將軟件計(jì)算得到的K大于0且MAPO大于25 kPa的情況視為發(fā)生爆震。

2 結(jié)果與討論

2.1 EGR技術(shù)抑制爆震和NOx排放的研究

直接提升初始?xì)鋬?nèi)燃機(jī)的壓縮比，得到熱效率及NOx排放的變化情況，如圖4所示。從圖4可以看出，整體的熱效率隨著壓縮比升高而提高。壓縮比為15和16時(shí)出現(xiàn)了爆震，此時(shí)熱效率的變化與之前的趨勢(shì)不符。隨著壓縮比的提高，NOx排放也逐步提高。

圖4 初始?xì)鋬?nèi)燃機(jī)NOx排放與指示熱效率隨壓縮比的變化

保持工況相同，分別使用熱EGR和冷EGR技術(shù)，計(jì)算分析內(nèi)燃機(jī)在高壓縮比下抑制爆震和NOx排放的情況。將EGR率從0開始以5%為梯度逐次提升至20%，仿真計(jì)算內(nèi)燃機(jī)壓縮比為15和16時(shí)的性能指標(biāo)。冷卻EGR是在EGR的通路上添加冷卻器實(shí)現(xiàn)的，在仿真過(guò)程中保持冷卻器的結(jié)構(gòu)與傳熱系數(shù)不變，僅改變EGR率。

使用熱EGR與冷EGR在壓縮比為15和16下的壓力振蕩最大振幅、指示熱效率、NOx排放對(duì)比見圖5。由圖5可以看到當(dāng)EGR率提高時(shí)，爆震強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。爆震發(fā)生的閾值設(shè)定為25 kPa。冷EGR和熱EGR在壓縮比為15時(shí)均可以達(dá)到避免爆震的效果，但是在壓縮比為16時(shí)均無(wú)法避免爆震的發(fā)生。冷EGR和熱EGR在爆震強(qiáng)度上區(qū)別不大，在EGR率大于5%時(shí)冷EGR爆震強(qiáng)度略低，而EGR率為5%時(shí)冷EGR的爆震強(qiáng)度反而略高，并且在壓縮比15下EGR率為5%時(shí)在冷EGR下仍會(huì)出現(xiàn)爆震。壓縮比為15時(shí)，隨著EGR率的增加，熱EGR的熱效率逐漸降低，而冷EGR略微升高，在EGR率20%時(shí)兩者的差值達(dá)到了0.2%；對(duì)于NOx排放，隨EGR率的升高兩者都出現(xiàn)了明顯的下降，冷EGR產(chǎn)生的NOx更少，但差異不明顯。在壓縮比為15而EGR率為20%時(shí)，冷EGR和熱EGR分別有2.395 g/(kW·h)和2.566 g/(kW·h)的NOx產(chǎn)生。

圖5 EGR技術(shù)對(duì)爆震強(qiáng)度、指示熱效率和NOx排放的影響

從式(4)可以看出，爆震的產(chǎn)生和兩個(gè)參數(shù)關(guān)系最大，分別是缸內(nèi)的燃燒壓力及未燃區(qū)的溫度。為了分析導(dǎo)致爆震的原因，選取了壓縮比15下采用冷EGR及熱EGR時(shí)缸內(nèi)的燃燒壓力及未燃區(qū)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化作為分析數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 冷EGR和熱EGR的燃燒壓力與未燃區(qū)溫度的對(duì)比

由圖6可以觀察到隨著EGR率的增加，缸內(nèi)燃燒的最大壓力明顯下降，熱EGR下相比冷EGR下降更明顯，但兩者的差異不大。相比無(wú)EGR的工況，熱EGR在EGR率為20%的情況下最大燃燒壓力下降了約5.0%，為7.15 MPa；而冷EGR情況下則下降了4.1%，為7.22 MPa。采用冷EGR及熱EGR時(shí)未燃區(qū)溫度的變化趨勢(shì)相同，在上止點(diǎn)后有一段下降，之后又快速達(dá)到最高溫度，最高溫度和缸內(nèi)已燃區(qū)溫度會(huì)發(fā)生重合，代表燃燒已經(jīng)完成。仿真過(guò)程中雖然保持了燃燒重心與持續(xù)期等參數(shù)不變，但很明顯溫度快速升高的時(shí)刻不同，并且最終達(dá)到的最大溫度也不同。隨EGR率提高，溫度快速上升的時(shí)刻向后推遲，最高溫度也有所降低。冷EGR相比熱EGR效果更好，在EGR率達(dá)到20%時(shí)冷EGR使最高溫度下降了124.0 K，推遲了3.5°曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到最高溫度；熱EGR則下降了94.2 K，向后推遲了2.4°曲軸轉(zhuǎn)角。與熱EGR相比，冷EGR會(huì)造成缸內(nèi)燃燒壓力略微升高，但可以降低缸內(nèi)溫度，燃燒完成的速度變慢，因此相比熱EGR，冷EGR降低NOx排放的效果更明顯，但對(duì)爆震強(qiáng)度的改善不明顯。

2.2 米勒循環(huán)抑制爆震和NOx排放的研究

仿真對(duì)比了LIVC和EIVC對(duì)抑制爆震和降低NOx排放的效果。LIVC延長(zhǎng)了進(jìn)氣門在最高點(diǎn)的時(shí)間而升程不變；而對(duì)于EIVC，由于進(jìn)氣門開啟的時(shí)間縮短，若不改變升程則會(huì)加劇氣門及凸輪的磨損，因此往往提早關(guān)閉進(jìn)氣門時(shí)同步縮小升程，本研究中也采用了這樣的做法。圖7是本研究中進(jìn)氣門升程曲線的示意圖。由于初始內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻處于活塞下止點(diǎn)之后，EIVC對(duì)進(jìn)氣門關(guān)閉角的改變要更大，其中提前45°曲軸轉(zhuǎn)角(記為EIVC45，依此類推)的情況即在活塞下止點(diǎn)的位置關(guān)閉進(jìn)氣門。與對(duì)EGR進(jìn)行研究時(shí)一樣，保持工況不變，僅改變進(jìn)氣門關(guān)閉角進(jìn)行仿真運(yùn)算。

圖7 本研究中采用的進(jìn)氣門升程曲線

圖8展示了壓縮比為15和16的情況下，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的爆震強(qiáng)度、指示熱效率和NOx排放隨進(jìn)氣門關(guān)閉角的變化。圖8中壓力振蕩最大振幅的數(shù)據(jù)略去了軟件計(jì)算未出現(xiàn)爆震的情況，指示熱效率和NOx排放數(shù)據(jù)略去了未發(fā)生本文中定義的爆震現(xiàn)象的情況。

圖8 米勒循環(huán)對(duì)爆震強(qiáng)度、指示熱效率和NOx排放的影響

從圖8中可以看出，所有米勒循環(huán)的工況下，壓縮比為15時(shí)不會(huì)出現(xiàn)爆震，而在壓縮比為16時(shí)，改變進(jìn)氣門關(guān)閉角(intake valve closing， IVC)會(huì)使爆震強(qiáng)度急劇降低，且在EIVC75、EIVC65及LIVC30、LIVC40這4個(gè)方案下不會(huì)發(fā)生爆震。相比EGR技術(shù)，內(nèi)燃機(jī)的壓縮比可以進(jìn)一步提高到16。指示熱效率在壓縮比為16、EIVC75時(shí)達(dá)到最大值，為44.69%。NOx排放在壓縮比為15、EIVC75時(shí)達(dá)到最低值，為2.597 g/(kW·h)。

選定壓縮比為15，不同IVC下的燃燒壓力與未燃區(qū)溫度的對(duì)比見圖9。從圖9可以看出，米勒循環(huán)有效降低了燃燒壓力水平，對(duì)進(jìn)氣門關(guān)閉角的任意改變都使壓力降低，并且在研究范圍內(nèi)，改變?cè)酱?，壓力下降越多。?duì)比EIVC和LIVC會(huì)發(fā)現(xiàn)采用兩種方式時(shí)變化趨勢(shì)比較相似，前者略有優(yōu)勢(shì)，壓力下降更多，在EIVC75處下降最多，此時(shí)最大壓力為6.56 MPa，相比初始IVC下降了12.9%。未燃區(qū)溫度的變化趨勢(shì)和EGR部分相同，改變進(jìn)氣門關(guān)閉角不僅可以降低最大溫度，也可以延后溫度升高的時(shí)刻。對(duì)比LIVC和EIVC，采用兩種方式時(shí)趨勢(shì)類似，EIVC略有優(yōu)勢(shì)，溫度降低得更多。EIVC75下未燃區(qū)溫度下降最多，最高未燃區(qū)溫度相比初始內(nèi)燃機(jī)下降了266.0 K?？偨Y(jié)來(lái)看，EIVC相比LIVC在抑制爆震和NOx排放上有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖9 不同IVC的燃燒壓力與未燃區(qū)溫度的對(duì)比

2.3 兩種技術(shù)的對(duì)比與組合

從避免爆震和降低NOx排放的結(jié)果來(lái)看，米勒循環(huán)技術(shù)可以將壓縮比提升到16，大于采用EGR技術(shù)時(shí)的15，證明其抑制爆震的能力更佳。而在同樣的壓縮比下，EGR可以降低NOx排放至2.395 g/(kW·h)，小于米勒循環(huán)可以達(dá)到的2.597 g/(kW·h)，證明EGR技術(shù)對(duì)抑制NOx排放更為有效。其原因可以通過(guò)圖10進(jìn)行對(duì)比分析。圖10為兩種技術(shù)的壓力與溫度參數(shù)對(duì)比。

圖10 兩種技術(shù)的壓力與溫度參數(shù)對(duì)比

通過(guò)式(4)～式(6)可知，爆震的產(chǎn)生與未燃區(qū)溫度和燃燒壓力相關(guān)，而NOx的產(chǎn)生主要和已燃區(qū)的溫度相關(guān)。通過(guò)圖10可以發(fā)現(xiàn)米勒循環(huán)對(duì)未燃區(qū)溫度和燃燒壓力影響相對(duì)更明顯，因此對(duì)爆震抑制更有效。EGR技術(shù)則對(duì)已燃區(qū)溫度影響更大，因此對(duì)抑制NOx排放更有效。兩種技術(shù)在抑制爆震和NOx排放上各有所長(zhǎng)，將兩種技術(shù)結(jié)合進(jìn)行探索研究。考慮到冷EGR相比熱EGR對(duì)降低NOx排放更有效，EIVC相比LIVC在綜合性能上有更好的表現(xiàn)，因此選取了EIVC和冷EGR技術(shù)，綜合探索可以達(dá)到的最高壓縮比。

圖11(a)中展示了結(jié)合應(yīng)用EIVC和冷EGR技術(shù)可以達(dá)到的最大壓縮比。其中最小的壓縮比在左下角，即EIVC45和EGR率為0的情況，壓縮比為14.9；最大的壓縮比在右上角，即EIVC75和EGR率為20%的情況，壓縮比為18.4。在本研究的工況下，保持EGR率不變，從EIVC45提升至EIVC75，最大壓縮比平均提升為3。而保持相對(duì)EIVC不變，EGR率從0提升至20%，最大壓縮比平均提升僅0.5。圖11(b)是應(yīng)用圖11(a)中的壓縮比進(jìn)行仿真計(jì)算的NOx排放。最高排放在左下角，即EIVC45和EGR率為0的情況，達(dá)到了3.22 g/(kW·h)；最小值在右上角，即EIVC75和EGR率為20%的情況，減少到了1.937 g/(kW·h)。在本研究的工況下，同時(shí)考慮最大壓縮比的提高，EGR率提升至20%，NOx排放平均降低約1.14 g/(kW·h)，從EIVC45提升至EIVC75，NOx排放平均降低約0.2 g/(kW·h)。

圖11 結(jié)合兩種技術(shù)抑制爆震和NOx結(jié)果

在探索了最大壓縮比之后，對(duì)初始的氫內(nèi)燃機(jī)、單獨(dú)使用EGR技術(shù)和米勒循環(huán)技術(shù)及結(jié)合使用兩種技術(shù)所能達(dá)到的最大壓縮比的效率和排放進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖12所示。其中單獨(dú)使用EGR技術(shù)和米勒循環(huán)技術(shù)及結(jié)合使用兩種技術(shù)所能達(dá)到的最大壓縮比分別為15.0、17.8和18.4。

圖12 不同技術(shù)下最大壓縮比的性能參數(shù)對(duì)比

單一使用米勒循環(huán)技術(shù)能達(dá)到最高的指示熱效率，為45.02%，相比初始內(nèi)燃機(jī)提升了8.3%，但也達(dá)到了最高的NOx排放。兩種技術(shù)的結(jié)合可以達(dá)到最優(yōu)的NOx排放，即1.937 g/(kW·h)，相比初始內(nèi)燃機(jī)降低了26.2%。

3 結(jié)論

(1) 相比米勒循環(huán)， 得益于采用EGR技術(shù)時(shí)更低的已燃區(qū)溫度，其降低NOx排放的效果更佳，冷EGR相比熱EGR降低NOx排放的效果更好。在本研究的工況下，在20%EGR率的情況下可使已燃區(qū)溫度下降52.2 K。在此工況下，使用冷EGR技術(shù)，將EGR率從0提升至20%，內(nèi)燃機(jī)的最高壓縮比平均提升約0.5，在考慮壓縮比提高的情況下，NOx排放平均降低約1.14 g/(kW·h)。

(2) 得益于采用米勒循環(huán)時(shí)更低的燃燒壓力和未燃區(qū)溫度，米勒循環(huán)抑制爆震的效果優(yōu)于EGR技術(shù)。EIVC相比LIVC在燃燒壓力和未燃區(qū)溫度上更有優(yōu)勢(shì)。在本研究的工況下，使用米勒循環(huán)，最高燃燒壓力可以降低12.9%，未燃區(qū)溫度最多可降低266.0 K。在此工況下，從EIVC45提升至EIVC75，內(nèi)燃機(jī)的最高壓縮比平均提升為3，在考慮壓縮比提高的情況下，NOx排放平均降低約0.2 g/(kW·h)。

(3) 結(jié)合EIVC和冷EGR技術(shù)，在本研究的工況下，氫內(nèi)燃機(jī)可以將最大壓縮比提升至18.4，此壓縮比下，經(jīng)濟(jì)性提高了8.0%，達(dá)到44.87%，NOx排放減少了26.2%，達(dá)到1.937 g/(kW·h)。