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        高效增壓直噴氫內(nèi)燃機近零NOx排放試驗優(yōu)化

        2023-09-26 07:34:04包凌志孫柏剛羅慶賀
        內(nèi)燃機學報 2023年5期
        關鍵詞:混合氣內(nèi)燃機缸內(nèi)

        包凌志,孫柏剛,羅慶賀

        (北京理工大學 機械與車輛學院,北京 100081)

        氫能因其資源豐富、應用場景多樣等特點,已被多個國家納入戰(zhàn)略能源部署中,成為全球碳達峰和碳中和的首選方向[1].氫氣熱值高、燃燒速度快,是理想的內(nèi)燃機燃料[2],氫內(nèi)燃機以氫氣為燃料,具有零碳排放、成本低、效率高及對氫氣純度要求低的特點,是推動傳統(tǒng)內(nèi)燃機各種應用領域升級轉(zhuǎn)型、助力碳達峰和碳中和的重要載體[3].依據(jù)氫氣噴射方式,氫內(nèi)燃機可分為進氣道噴射(PFI)和缸內(nèi)直噴(DI)兩種.試驗證明,DI氫內(nèi)燃機可以大幅提升動力,避免回火等異常燃燒的發(fā)生[4].氫氣燃燒的主要產(chǎn)物是水,由于少量機油參與燃燒,尾氣中還存在微量的HC和CO可以忽略不計[5];但在中高負荷工況下,空氣中的氮氣和氧氣會在缸內(nèi)的高溫環(huán)境反應生成大量氮氧化物(NOx)排放,最高可達10×10-3.因此,降低并控制氫內(nèi)燃機的NOx排放至關重要[6].

        氫內(nèi)燃機中,NOx排放的生成機理主要有熱力學NO、快速型NO、NNH反應、N2O反應和NO2反應等.其中熱力學NO是通過O+N2?NO+N、N+O2?NO+O及N+OH?NO+H三步反應的擴展Zeldovich機理生成,是NOx排放的主要成分,在高負荷、高溫環(huán)境(缸內(nèi)溫度大于2000K)下,其占比超過95%[7].而對于稀燃和中小負荷工況,NNH反應路徑(N2+H?NNH,NNH+O?NO+NH)占據(jù)主導作用.Duan等[8]通過仿真證明NNH反應在低溫(1500K)和中等溫度(1900K)下是NO形成的主要途徑.Maurya等[9]發(fā)現(xiàn)N2O的途徑(O+N2+M?N2O+M,H+N2O?NO+NH,O+N2O?NO+NO)在低溫(1500K以下)富氧混合氣中會被激活.這些反應機理的參數(shù)都與溫度密切相關.因此,缸內(nèi)燃燒溫度直接影響NOx的生成速率.

        研究人員從降低反應溫度出發(fā),試驗驗證了稀薄燃燒、多次噴射和廢氣再循環(huán)(EGR)等手段降低NOx排放的可行性.Nakagawa等[10]基于一臺機械增壓直噴氫內(nèi)燃機發(fā)現(xiàn),NOx排放主要與過量空氣系數(shù)有關,而與進氣壓力無關,其最低NOx排放達到100×10-6,最大的有效熱效率為34%.Tsujimura等[11]為一臺1.3L單缸氫內(nèi)燃機匹配了機械增壓器,優(yōu)化后最大平均指示壓力達到1.46MPa,NOx排放降低至150×10-6.Kawamura等[12]在一臺自然吸氣氫內(nèi)燃機中,通過稀薄燃燒和30%的EGR率,在平均指示壓力為0.5MPa(1500r/min)的工況下,實現(xiàn)了15×10-6的低NOx排放.筆者在前期的研究中,通過一臺2.0L自然吸氣直噴氫內(nèi)燃機進行稀薄燃燒和推遲點火角,驗證了近零排放的可行性,當NOx排放低于20×10-6時,最大功率達到21.5kW[13].

        從上述研究中看出,大多數(shù)研究主要基于自然吸氣或機械增壓氫內(nèi)燃機,在中低負荷下處理少數(shù)工況點的NOx排放,最終達成的NOx排放為100×10-6左右,仍高于排放法規(guī)的限值.筆者首先界定了近零排放的邊界限值,并基于一臺2.0L增壓直噴氫內(nèi)燃機研究了稀薄燃燒在全工況下實現(xiàn)近零排放的可行性.之后對噴氫相位和噴氫壓力這兩個重要參數(shù)進行比較優(yōu)化,并對試驗結(jié)果開展評估.

        1 試驗裝置及研究方法

        1.1 試驗裝置及測試方法

        試驗所用增壓直噴氫內(nèi)燃機為2.0L 4缸、四沖程水冷式米勒循環(huán)直噴汽油機改裝而來,表1為直噴氫內(nèi)燃機的具體工作參數(shù).在原機的基礎上,主要做了針對性的改造工作是:(1)考慮到氫氣具有較高的辛烷值和較好的抗爆性,更換了壓縮比為12.5的活塞提升熱效率;(2)將原機的汽油噴嘴替換為4只外開環(huán)式直噴氫氣噴嘴,其氫氣噴射壓力最高可達14MPa;(3)針對氫內(nèi)燃機低排氣溫度、大空氣流量的特點,重新匹配了渦輪增壓器,其壓比最高可達2.7,并加裝了進氣中冷;(4)將原機閉式曲軸箱通風系統(tǒng)改為開式曲軸箱通風,防止氫氣在曲軸箱內(nèi)積聚引發(fā)爆炸.

        表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

        為保證高轉(zhuǎn)速下氫氣噴嘴的快速響應特性,高壓缸內(nèi)直噴氫氣噴嘴采用壓電晶體驅(qū)動,其許用最高噴射壓力為20MPa,最大氫氣流量可達2.66g/s.噴嘴經(jīng)過密封測試試驗,單只噴嘴氫氣的泄露速率僅為6.53×10-7g/s,可以有效避免回火和早燃等異常燃燒發(fā)生.噴嘴氫內(nèi)燃機試驗臺架布置如圖1所示,內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過GW250電渦流測功機測量,其轉(zhuǎn)速測量精度為±1r/min,轉(zhuǎn)矩測量精度為±0.2%.高壓氫氣儲存在35MPa的碳纖維氣瓶中,經(jīng)過兩級減壓,并依據(jù)不同的運行工況,調(diào)整至合適的噴射壓力(6~20MPa)后進入氫氣軌道.缸內(nèi)瞬態(tài)壓力信號由Kistler 6052C水冷式缸壓傳感器采集,并通過燃燒分析儀對電荷信號進行放大,采集得到穩(wěn)態(tài)工況下200個循環(huán)的平均值.氫內(nèi)燃機的過量空氣系數(shù)通過氫氣和空氣流量的測量值計算得出.其中,氫氣流量計選用艾默生CFM010質(zhì)量流量計,量程為0~20 kg/h,誤差為±0.1%;空氣流量由美天MTR-500熱式空氣流量計測得,測量精度為±0.5%;排氣組分及濃度由AVL Ditest 1000排放分析儀測得,NOx的測試精度為±3×10-6,由于尾氣中水蒸汽過多,在采樣前單獨加裝了干燥裝置.

        圖1 試驗臺架示意Fig.1 Schematic of the experiment set-up

        1.2 增壓直噴氫內(nèi)燃機近零排放界定

        NOx近零排放的概念是由火電行業(yè)提出[14],其中限定大氣污染物NOx的排放限值為50mg/m3.在內(nèi)燃機領域,NOx既作為氫內(nèi)燃機的主要污染物,也是世界各國排放法規(guī)嚴格控制的對象.歐Ⅵ排放法規(guī)規(guī)定乘用車和輕型商用車的NOx的排放限制為60mg/km,而在中國最新國Ⅵ B排放標準中,乘用車的NOx排放被限制低于35mg/km[15].

        以上排放法規(guī)均是針對整車提出的,若要換算為內(nèi)燃機排氣的質(zhì)量分數(shù),其計算式為

        式中:為NOx排放的質(zhì)量分數(shù);SNOx為排放法規(guī)中NOx排放限值;ρ為標準狀態(tài)下排氣密度;mH2為氫內(nèi)燃機車輛百公里氫氣消耗量;φa為氫內(nèi)燃機運行時的過量空氣系數(shù).

        NOx的體積分數(shù)可由質(zhì)量分數(shù)換算得到,即

        按國Ⅵ排放法規(guī)SNOx取值為35mg/km,依據(jù)試驗結(jié)果,直噴氫內(nèi)燃機通常工作在稀燃工況,φa取值為2.5,ρ近似視為空氣的密度.針對2.0L內(nèi)燃機,取值為1.2kg/100km,取值為30g/mol;計算得到排放法規(guī)中NOx限值的質(zhì)量分數(shù)為40mg/m3,其體積分數(shù)為30×10-6.

        當氫內(nèi)燃機的原始排放(不經(jīng)后處理器)低于20×10-6時,已經(jīng)滿足相應的排放法規(guī).若再通過如氮氧化物吸附器或選擇性催化還原等后處理技術(shù),在90%轉(zhuǎn)化效率以上時,氫內(nèi)燃機NOx排放的體積分數(shù)可控制低于2×10-6[16].因此,筆者設定原始排放為20×10-6是直噴氫內(nèi)燃機近零排放邊界,并通過一系列優(yōu)化控制實現(xiàn)全工況下的近零排放.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 稀薄燃燒實現(xiàn)近零排放

        在增壓直噴氫內(nèi)燃機中,采用稀薄燃燒的控制策略可以顯著降低NOx排放.試驗設置氫氣噴射壓力為14MPa,噴氫相位為-160°CA ATDC.試驗時節(jié)氣門保持全開,通過調(diào)整噴氫脈寬調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)aφ.在大負荷工況下,設定缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力限值為15MPa,并在發(fā)生爆震時推遲點火角,此時aφ最小值為1.7.在小負荷稀燃工況時,考慮到過于稀薄的燃燒會導致燃燒不穩(wěn)定性增加,設定平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)小于3%,此時aφ最大值為4.1.圖2所示當aφ處于1.7~2.3內(nèi),NOx排放很高,可達2×10-3.采用稀薄燃燒手段可以顯著降低NOx排放,即在轉(zhuǎn)速為2500r/min下,當aφ從2.00變化2.68時,NOx排放從2.418×10-3快速下降至0.035×10-3.對于其他轉(zhuǎn)速工況,提高aφ也有相同的效果.放大圖顯示了aφ>2.60時近零排放段變化趨勢,在轉(zhuǎn)速為2500r/min、aφ=2.78時,NOx排放達到0.018×10-3,低于近零排放限值.繼續(xù)增加aφ,NOx排放減少得非常緩慢,aφ>3.50后,NOx排放僅維持在個位數(shù)水平.進一步分析發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速為1500r/min時,aφ僅達到2.60時就已經(jīng)實現(xiàn)近零排放;而對于轉(zhuǎn)速為3500r/min時,aφ=3.00才能實現(xiàn)近零排放.這主要與不同轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)反應溫度的差異有關.

        圖2 稀薄燃燒降低NOx排放實現(xiàn)近零排放Fig.2Reducing NOx emissions by lean combustion to achieve near-zero emissions

        圖3所示缸內(nèi)燃燒溫度可通過缸內(nèi)壓力熱力學計算得到.在計算過程中,傳熱采用Woschni傳熱模型,由于氫氣淬熄距離短,火焰更靠近壁面,因而將傳熱模型中壁面溫度設置為550K.最高燃燒溫度隨著aφ的增加呈線性下降,當最高缸內(nèi)燃燒溫度低于1420K時,依據(jù)引言中所述的反應機理,低溫大幅抑制了熱力學NO的反應速率,從而達到近零排放.對比不同轉(zhuǎn)速可以發(fā)現(xiàn),1500r/min時的缸內(nèi)最高溫度要比2500r/min低大約80K,因此,更低的aφ就可以將缸內(nèi)溫度降至1420K,實現(xiàn)近零排放;但隨著轉(zhuǎn)速的升高,需要更高的aφ,也即采用更稀薄的燃燒才能達到近零排放.

        圖3 過量空氣系數(shù)對NOx排放和缸內(nèi)最高溫度的影響Fig.3 Effects of φa on the NOx emissions and maximum cylinder temperature

        造成低轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)溫度較低的原因是負荷偏低.圖4所示當aφ=2.00、轉(zhuǎn)速為2500r/min時的平均有效壓力(BMEP)達到1.98MPa,遠高于1500r/min時的1.00MPa.稀燃后會大幅降低動力,當aφ=2.78時實現(xiàn)近零排放時,2500r/min下的BMEP為1.09MPa;而低轉(zhuǎn)速(1500r/min)、aφ=2.60時BMEP僅為0.70MPa.這主要與渦輪增壓器的工作特性有關:1500r/min下空氣流量較低,壓氣機工作效率低,壓比較低;提高轉(zhuǎn)速后,隨著流量的增加,壓氣機運行在高效區(qū),壓比增大,氫氣流量增加,BMEP顯著提升,導致缸內(nèi)燃燒溫度升高.而在aφ>3.50的稀燃工況,由于排氣溫度過低,渦輪轉(zhuǎn)速降低,不同轉(zhuǎn)速間的動力性基本相同.在實現(xiàn)近零排放時,相比于自然吸氣直噴氫內(nèi)燃機,轉(zhuǎn)速為2500r/min下BMEP僅達0.46MPa[13],渦輪增壓可以有效恢復稀燃時的動力性,BMEP是其2.3倍.有效熱效率(BTE)則展現(xiàn)出不同的變化趨勢,隨著aφ的增加,在2500r/min時,BTE先穩(wěn)定在42.3%左右,之后緩慢下降至37.0%.主要考慮到稀薄燃燒可以降低燃燒溫度,從而降低損失、提升熱效率;但是過于稀薄的混合氣會導致燃燒持續(xù)期增加、增壓壓力下降及泵氣損失增加,BTE呈下降的趨勢.

        圖4 過量空氣系數(shù)對平均有效壓力和熱效率的影響Fig.4 Effects of aφ on the mean effective pressure and thermal efficiency

        2.2 近零排放邊界噴氫相位優(yōu)化

        直噴氫內(nèi)燃機中,噴氫相位直接影響氫氣-空氣的混合時間和缸內(nèi)氣體流動,進而影響混合氣的形成和濃度分布.混合氣的質(zhì)量與火焰發(fā)展密切相關,而燃燒品質(zhì)和濃度分布直接影響NOx排放.當局部因混合不均勻?qū)е戮植縜φ<2.30時,NOx排放會大幅增加.因此,噴氫相位的優(yōu)化至關重要.試驗設置噴射壓力為14MPa,噴射起始角(SOI)最早為-200°CA ATDC,對應進氣門關閉時刻,防止氫氣回流進入進氣歧管引發(fā)回火.試驗控制NOx排放近似處于近零排放邊界(15×10-6~20×10-6).具體試驗方法是:保持節(jié)氣門全開,先調(diào)整噴氫相位,若NOx排放增加,則降低噴射脈寬,控制NOx在近零排放邊界;相反,若NOx排放降低,則可以適當提高氫氣噴射量,并保證排放符合要求.每次對噴射相位和噴射脈寬調(diào)整后,保持發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)2min,記錄穩(wěn)態(tài)工況下的排放和性能參數(shù).

        圖5所示在轉(zhuǎn)速為1000~3500r/min時aφ隨噴氫相位調(diào)整的變化.在低轉(zhuǎn)速(1000~2000r/min)工況下,隨轉(zhuǎn)速增加,渦輪增壓器開始介入工作,進氣壓力和湍流強度增加,促進了氫氣和空氣的充分混合,因而所需過量空氣系數(shù)逐漸降低.在相同轉(zhuǎn)速下,提前噴射(SOI=-120°CA ATDC)對應實現(xiàn)近零排放的過量空氣系數(shù)僅為2.53,低于SOI=-200°CA ATDC時的2.61.這主要因為發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時,空氣流速低,缸內(nèi)湍流和滾流較弱;壓縮過程中適當推遲噴射,由于高背景壓力的影響,氫氣噴射的更集中,更有利于混合氣的形成.而過于推遲的噴射,由于混合時間過短,混合氣形成不均勻,只能通過大幅降低全局aφ:如轉(zhuǎn)速為2000r/min、SOI=-80°CA ATDC的工況,aφ=3.35時才能實現(xiàn)近零排放.在高轉(zhuǎn)速(2500~3500r/min)工況下,過于推遲的噴射時刻(SOI為-80°CA ATDC或-120°CA ATDC)已經(jīng)無法實現(xiàn)近零排放.此時,隨轉(zhuǎn)速增加,SOI=-160°CA ATDC時,aφ從2.78提高到3.00.相比之下,提前噴射(即SOI=-200°CA ATDC),aφ僅從2.60變化至2.65.

        圖5 近零排放下不同轉(zhuǎn)速和噴氫相位對應的過量空氣系數(shù)Fig.5φa at different speeds and injection timings with near-zero emissions

        圖6為近零排放下不同噴氫相位平均有效壓力和有效熱效率的變化曲線.在圖6a中,隨轉(zhuǎn)速增加,近零排放邊界下的平均有效壓力總體上先快速增加,在轉(zhuǎn)速為2500r/min時達到最大負荷BMEP=1.28MPa后,逐漸降低.因為低轉(zhuǎn)速時,渦輪增壓提供的空氣流量也隨著轉(zhuǎn)速增加不斷提升;但在高轉(zhuǎn)速條件下,由于渦輪截面較小,排氣背壓也逐漸升高,影響換氣過程和充氣效率,因而動力性有所損失.對于不同噴氫相位,平均有效壓力的變化趨勢與aφ變化相反.低轉(zhuǎn)速(1000~2000r/min)工況下,SOI=-120°CA ATDC的工況要優(yōu)于其他工況,BMEP大約高0.1MPa;而對于高轉(zhuǎn)速(2500~3500r/min)工況,推遲噴射并采用更低的aφ才能達到最大輸出動力.

        圖6 近零排放下不同噴氫相位平均有效壓力和有效熱效率變化Fig.6 Changes of BMEP and BTE at different injection timings with near-zero emissions

        圖6b所示隨轉(zhuǎn)速變化熱效率總體上先從最低值36.60%快速增加,在轉(zhuǎn)速為2000r/min時達到最高值41.49%,之后迅速下降.這主要因為轉(zhuǎn)速增加后,過量空氣系數(shù)降低,隨著負荷的提升,機械效率不斷提升.而高轉(zhuǎn)速下,渦輪阻塞導致?lián)Q氣過程惡化,泵氣損失增加,有效熱效率下降.在轉(zhuǎn)速為1000r/min時,盡管在不同噴氫相位下BMEP基本相同,但SOI=-80°CA ATDC的有效熱效率可以達到38.00%,比其他工況下高2%.同樣,在轉(zhuǎn)速為2500r/min時,推遲噴射后有效熱效率從40.72%提升至41.17%,與平均有效壓力的變化趨勢相反.這主要因為推遲氫氣噴射,讓氫氣更晚進入氣缸內(nèi),可以降低壓縮大量氫氣產(chǎn)生能量損失.而在轉(zhuǎn)速為3500r/min時,由于推遲噴射可以采用更濃的混合氣參與燃燒,兩種噴氫相位下,有效熱效率基本相同.

        近零排放下不同噴氫相位缸內(nèi)燃燒溫度和燃燒持續(xù)期的變化趨勢如圖7所示.其中,達到近零排放時,缸內(nèi)溫度在所有工況下均低于1450K,并隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸降低.高轉(zhuǎn)速下,每曲軸轉(zhuǎn)角對應的時間變短,在相同噴氫相位下,從噴氫時刻到點火時刻,氫氣、空氣混合時間減少,混合氣易出現(xiàn)局部過濃區(qū)域.因此,必須通過降低最大缸內(nèi)燃燒溫度控制排放.燃燒持續(xù)期(10%~90%放熱點)隨轉(zhuǎn)速增加,從15°CA ATDC增加至30°CA ATDC.在相同轉(zhuǎn)速(2000r/min)時,由于近零排放時負荷增加,推遲噴射可以延長燃燒持續(xù)期.

        圖7 近零排放下不同噴氫相位缸內(nèi)燃燒溫度和燃燒持續(xù)期變化Fig.7Changes of cylinder combustion temperature and burn duration at different injection timingswith near-zero emissions

        噴氫相位主要通過改變混合氣的形成時間進而影響燃燒和排放,考慮到不同轉(zhuǎn)速下最大功率和最高熱效率對應的最優(yōu)噴氫開始角(SOI)有所差異.圖8a以噴氫結(jié)束角(EOI)作為變量,探索EOI與近零排放邊界下平均有效壓力的關系.試驗時點火提前角設定為最大轉(zhuǎn)矩點火角,直噴氫內(nèi)燃機的EOI被限制在(-190°~-50°CA ATDC)之間:因為過早結(jié)束噴氫會導致氫氣回流進入進氣管,引發(fā)回火;過晚結(jié)束噴氫,混合時間過短,易出現(xiàn)局部過濃和過稀的混合氣,燃燒穩(wěn)定性下降發(fā)動機開始抖動,并在試驗過程中發(fā)生異響.低轉(zhuǎn)速(1000~1500r/min)工況下,推遲噴射,平均有效壓力穩(wěn)步提升;高轉(zhuǎn)速(2000~3500r/min)工況下,推遲噴射,平均有效壓力先保持穩(wěn)定后快速降低.這兩種情況下平均有效壓力曲線的拐點對應的EOI值都在-80°CA ATDC左右.當氫氣噴射控制在-80°CA ATDC結(jié)束時,提供了充足的混合氣形成時間,可以通過采用更低的aφ實現(xiàn)更高的功率.

        圖8b所示隨著EOI的不斷推遲低轉(zhuǎn)速(1000~1500r/min)的有效熱效率穩(wěn)步提升;而高轉(zhuǎn)速(2000~3500r/min)的有效熱效率先增加后逐漸降低.主要考慮到在增壓直噴氫內(nèi)燃機中,提高負荷可以提高增壓壓力,降低泵氣損失和機械損失,從而實現(xiàn)最高熱效率.但當轉(zhuǎn)速超過2000r/min后,渦前排氣壓力增大,殘余廢氣系數(shù)增多,燃燒效率下降;同時活塞運動速度提高,機械摩擦增大,有效熱效率減少.因此,轉(zhuǎn)速為2000r/min下氫氣噴射的EOI為-80°CA ATDC左右時,有效熱效率達到最大值.

        2.3 近零排放邊界噴射壓力優(yōu)化

        在氫內(nèi)燃機應用場景內(nèi),氫氣通常存儲在高壓氣瓶中,通過多級減壓供應給氫氣噴嘴.采用低噴射壓力(6~10MPa)可以利用氣瓶內(nèi)殘余氣量,延長氫內(nèi)燃機車輛的續(xù)航里程,因而研究噴氫壓力的影響具有重要意義.此外,氫氣噴射壓力不僅影響氫氣的噴射持續(xù)期,進而改變噴氫結(jié)束角;還會影響氫氣噴霧的貫穿距和射流形態(tài),改變混合氣的形成和分布特性.試驗固定轉(zhuǎn)速為2500r/min,當噴氫壓力從6MPa提高至14MPa,按前文步驟分別重復不同噴氫相位的近零排放試驗,試驗結(jié)果如圖9所示,當SOI=-200°CA ATDC時,所有噴氫壓力均可以實現(xiàn)近零排放.平均有效壓力和有效熱效率隨噴氫壓力的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在噴氫壓力為12MPa時達到最大值.而推遲噴射(SOI=-120°CA ATDC)后,低于12MPa的噴射壓力無法實現(xiàn)近零排放.在低噴射壓力(6~10MPa)工況,保持噴氫相位SOI為-200°CA ATDC可以顯著提升氫內(nèi)燃機的動力性和經(jīng)濟性.這主要因為當氫氣噴射壓力較低時,噴射持續(xù)期增長,且噴霧貫穿距小,容易導致混合不均勻.提前噴射可以防止局部過濃區(qū)域的產(chǎn)生,從而利用更低aφ的混合氣實現(xiàn)更高的功率和效率.

        圖9 近零排放下不同噴氫壓力的平均有效壓力和有效熱效率變化Fig.9Changes of BMEP and BTE at different injection pressures with near-zero emissions

        圖10為近零排放時氫氣噴射壓力優(yōu)化.對比噴氫結(jié)束時刻的規(guī)律發(fā)現(xiàn),當SOI=-160°CA ATDC時,12MPa噴氫壓力下的EOI為-79°CA ATDC,此時動力性和經(jīng)濟性均達到最大值,高于噴射壓力14MPa的工況.由文獻[17]可知,適當降低噴射壓力可降低傳熱損失,提升熱效率.當推遲噴射至SOI=-200° CA ATDC,雖然噴射壓力為8MPa的EOI也接近優(yōu)化目標,但是由于噴射壓力的限制,在近零排放邊界下,平均有效壓力達到1.18MPa,低于高噴射壓力下BMEP=1.34MPa,有效熱效率也少0.4%.

        圖10 近零排放時氫氣噴射壓力優(yōu)化Fig.10 Optimization of injection pressure with near-zero emissions

        2.4 近零排放優(yōu)化結(jié)果

        增壓直噴氫內(nèi)燃機在近零排放條件下的性能表現(xiàn)如圖11a所示.試驗保持節(jié)氣門全開,噴氫壓力為14MPa,噴氫相位SOI被固定在-160°CA ATDC.在探索得到當前轉(zhuǎn)速工況下達到近零排放的濃度(圖5中藍色曲線)后,通過不斷減少噴射脈寬,增大aφ達到相應的低負荷點.對于BMEP<0.4MPa的負荷,受循環(huán)變動系數(shù)的限制,需要通過調(diào)整節(jié)氣門減小進氣量和aφ,提高燃燒穩(wěn)定性.僅采用稀薄燃燒策略的增壓直噴氫內(nèi)燃機具有良好的動力性和經(jīng)濟性:全工況下,BMEP超過0.6MPa,最大轉(zhuǎn)矩可達194N·m(2500r/min),最高功率為58kW(3500r/min);在中高負荷段,有效熱效率都達到了39.0%;最大有效熱效率在2500r/min時達到41.0%.因此,稀薄燃燒可以有效實現(xiàn)高效近零排放的目標.

        圖11 優(yōu)化噴氫相位和噴射壓力前、后的近零排放特性Fig.11Working characteristic of the near-zero emissions engine before and after optimization

        圖11b所示當EOI設定為-80°CA ATDC時,相比于圖11a的結(jié)果,可以在保證近零排放的同時,降低aφ提升動力.相比于稀薄燃燒的單一策略,近零排放氫內(nèi)燃機的動力性和經(jīng)濟性穩(wěn)步提升:在轉(zhuǎn)速為2000~3500r/min范圍內(nèi)BMEP均達到1.0MPa,最高轉(zhuǎn)矩達到204N·m(2500r/min),最高功率提升至72kW(3500r/min),接近一半的近零排放工況有效熱效率都超過40.0%,最高有效熱效率在2000r/min達到41.5%.試驗結(jié)果證明,合適的噴氫相位和噴氫脈寬可以幫助直噴氫內(nèi)燃機在實現(xiàn)近零排放的同時,有效提升功率和效率.近零排放的工作范圍基本覆蓋了氫內(nèi)燃機直驅(qū)車輛的常用工作范圍,具有重要的實用價值.

        3 結(jié) 論

        (1) 氫內(nèi)燃機中HC和CO排放主要是少量機油燃燒導致的,可以忽略,因而當NOx原始排放低于20×10-6時,氫內(nèi)燃機可以被視為近零排放;試驗發(fā)現(xiàn),稀薄燃燒可以顯著降低NOx排放,當缸內(nèi)最高燃燒溫度低于1430K時,即可實現(xiàn)近零排放;相比于自然吸氣,渦輪增壓可以顯著恢復動力性,平均有效壓力是其2.3倍;隨轉(zhuǎn)速升高,實現(xiàn)近零排放的aφ逐漸增大,混合氣越來越稀.

        (2) 在實現(xiàn)近零排放的前提下,對于低轉(zhuǎn)速(1000~1500r/min)工況下,推遲噴射,平均有效壓力和有效熱效率穩(wěn)步提升;高轉(zhuǎn)速(2000~3500r/min)工況下,推遲噴射,平均有效壓力先保持穩(wěn)定后快速降低,而有效熱效率先升高后降低;噴射結(jié)束角EOI調(diào)整為-80°CA ATDC左右時,可在近零排放邊界下實現(xiàn)最大動力性和最高經(jīng)濟性.

        (3) 低噴射壓力(6~10MPa)也能實現(xiàn)近零排放,但功率和效率都大幅降低;高噴射壓力(12~14MPa)、優(yōu)化噴射結(jié)束角在-80°CA ATDC后,也可以小幅提高近零排放的動力性.

        (4) 僅采用稀薄燃燒策略的增壓直噴氫內(nèi)燃機可在全工況下實現(xiàn)近零排放,具有良好的動力性和經(jīng)濟性;優(yōu)化噴氫相位和噴射壓力后,平均有效壓力穩(wěn)步提升,最高轉(zhuǎn)矩達到204N·m(2500r/min),最高功率提升至72kW(3500r/min),有效熱效率明顯增加,接近一半的工況有效熱效率都超過40.0%,最高有效熱效率在2000r/min達到41.5%;近零排放范圍高效覆蓋乘用車常用工況,具有重要的實用價值;提出的優(yōu)化方法可以指導高效近零排放氫內(nèi)燃機控制策略的開發(fā).

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