进气掺氢与富氧燃烧对汽油机性能影响的试验研究

刘利梁， 张虎， 张玉银， 张伟

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240； 2. 上海空间电源研究所， 上海 200245)

进气掺氢与富氧燃烧对汽油机性能影响的试验研究

刘利梁1， 张虎1， 张玉银1， 张伟2

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240； 2. 上海空间电源研究所， 上海 200245)

在JL3G10汽油机的基础上，搭建了发动机台架以进行掺氢富氧条件下的台架试验。利用该台架分别对不同进气含氧量(体积比)，不同进气掺氢比以及富氧掺氢时汽油机的动力性与排放进行了试验研究。研究表明：相比原机，进气含氧量为25%时汽油机功率与扭矩提高了20.7%， HC排放减少36%，CO排放减少10.6%，但NOx排放增加了149.6%；2%进气掺氢比下的HC排放相比原机降低31.2%，CO排放降低46.1%，NOx排放则增加12.6%；富氧掺氢(氢氧体积比为2∶1)时，掺混比例为5.06%的汽油机较原机在动力性与排放上均有提升。

汽油机； 台架试验； 进气； 富氧； 掺氢

随着能源与环境危机的逐渐加重，汽车工业对内燃机节能环保的要求不断提高。在当前技术背景下，为实现内燃机节能减排的目标，改善传统内燃机的燃烧方式[1-3]越来越受到业界关注。

在改善内燃机燃烧方式上，目前国内外学者对发动机进气掺氢、富氧燃烧、增压技术、EGR技术等进行了相应的研究。纪常伟、汪硕峰[4-5]等对进气掺氢对汽油机燃烧与排放特性的影响进行了试验研究。试验表明，适当的掺氢比能减小缸内压力的循环变动，但随着掺氢比的增加，发动机NOx与CO排放增加。姜伟[6]、刘阳[7]等从发动机建模与试验出发，对带EGR的发动机富氧燃烧特性进行了研究，研究表明，富氧燃烧能提升发动机动力，减少HC和CO排放，但会增加NOx排放；EGR能在一定程度改善富氧燃烧缺陷，但会恶化HC和CO排放以及发动机的动力性。加拿大温莎大学的T. D. Andrea[8]等对进气掺氢比对汽油机燃烧持续期、循环波动、排放等的影响进行了试验研究。研究表明，通过进气掺氢，可减少燃烧持续期与循环波动量，且掺氢比越高，效果越好。

基于当前内燃机燃烧方式改善的研究现状与内燃机的工作特点，本研究从试验角度出发，利用JL3G10汽油机，研究了富氧燃烧、单独进气掺氢与同时掺混氢氧气对汽油机动力性与排放的影响，对汽油机进气掺氢与富氧燃烧的工程应用具有一定的意义。

1 发动机试验台架搭建与试验方案

1.1 试验设备

试验发动机为JL3G10汽油机，其主要技术参数见表1。

表1 汽油机主要技术参数

根据汽油机台架试验要求与目标，试验设备主要有汽油机电控系统相关的设备、试验参数测量设备、试验条件控制设备与台架测功机系统。

1) 汽油机电控系统相关设备

汽油机电控单元采用基于MotoTron平台开发的快速原型控制器，台架上位机采用MotoTune软件对试验发动机的参数进行标定与测量。

此外，为更好地对发动机进气、喷油、点火进行控制，还使用了进气温度与进气压力传感器、氧传感器、空燃比仪等设备。

2) 试验参数测量设备

试验参数主要是汽油机动力性与排放参数，采用Alicat气体质量流量计、Kistler缸压传感器与光电编码器、HFM7型空气流量计、A&D燃烧分析仪以及FGA-4100汽车排气分析仪等设备进行测量。其中光电编码器的测量精度为0.5°，HFM7空气流量计测量的相对精度为±5%，FGA-4100尾气分析仪则能有效测量尾气中HC，CO，CO2，O2和NOx的含量。

3) 试验条件控制设备

为使汽油机工作在某个特定条件下，采用发动机冷却水恒温系统、机油恒温系统、燃油供给系统等设备对试验条件进行控制。

4) 台架测功机系统

采用CW160电涡流测功机，该测功机最高转速为10 000 r/min，标定扭矩为500 N·m，扭矩测量精度为±0.4% FS，转速测量精度为±1 r/min。与测功机配套的是测功机控制与数采系统，能对测功机实行有效控制并采集相关参数。

1.2 试验台架搭建

搭建的试验台架系统见图1。在台架搭建时，需对发动机进气系统进行改装。具体为在节气门前的进气总管上安装空气流量计，并补充一段进气总管以使氢气、氧气能引入发动机气缸中。上位机中的MotoTune软件通过USB-CAN设备与发动机电控单元进行通信，以对发动机的控制参数进行标定，并实时测量关键工作参数。氢气与氧气来源于外接的氢瓶与氧瓶，其流量由进气管路中的气体质量流量计与空气流量计计算。台架其余部分与传统发动机台架类似。

图1 进气掺氢与富氧燃烧的发动机试验台架系统结构

1.3 试验方案

由内燃机原理可知，汽油机性能与进气温度等工作条件有关，试验时应控制这些条件使其维持稳定。此外，试验过程中汽油机转速、进气歧管压力维持不变，并采用产生最大扭矩时的点火提前角与理论空燃比以使三元催化器工作在最佳状态，表2列出试验时汽油机的工作条件。

表2 汽油机台架试验的试验条件

在表2的试验条件下，分别进行汽油机的富氧燃烧、进气掺氢与同时掺混氢氧气(氢氧体积比为2∶1，用HHO表示)的台架试验。分别定义进气含氧量α(O2)、加氧比α′(O2)、掺氢比β(H2)与掺HHO比γ(HHO)。

式中：qv(O2)为进气氧气体积流量；qv(H2)为进气氢气体积流量；qv(air)为进气空气体积流量。

综合分析上式之间的关系，并考虑到氢气的爆炸极限(4.1%～74.2%)，确定试验时进气氢氧的掺混比例(见表3)。

表3 试验时进气氢氧掺混比例

2 台架试验与结果分析

2.1 原机台架试验

汽油机原机试验的目标主要有两个： 1)通过原机试验来测试汽油机以及台架的工作状态； 2)为富氧燃烧与进气掺氢对汽油机性能影响的研究提供基准。

在进行原机试验时，上位机部分控制汽油机起动、参数测量与标定，冷却水恒温与机油恒温系统分别将汽油机冷却水温度、机油温度控制在目标值。空燃比仪控制汽油机空燃比为理论空燃比，电涡流测功机对汽油机转速实施闭环控制以使转速维持在1 400 r/min，由图2可知这两参数实际控制效果较为理想。测量了汽油机的排放、功率、扭矩等参数，结果见表4。

图2 汽油机实际转速与空燃比

扭矩/N·m32．4功率/kW4．75喷油脉宽/ms5．57HC体积分数/10-6242CO体积分数/%1．20NOx体积分数/10-61850

2.2 富氧燃烧对汽油机性能的影响

利用气体质量流量计控制汽油机进气中含氧量分别为21%，23%，25%，对应加氧比α′(O2)为0%，2.53%，5.06%，进行富氧燃烧试验并采集相关参数(见图3至图5)。

由图3中汽油机平均指示压力(pi)与喷油脉宽的试验结果可知，汽油机平均指示压力与喷油脉宽随进气含氧量的增加而增加，23%和25%的进气含氧量下，汽油机平均指示压力相对原机分别提高了3.2%与10.7%，喷油脉宽则分别增加了9.6%与18.6%。这是因为随着进气含氧量增加，缸内燃料燃烧速度加快，放热速率明显加快，极大促进了缸内燃料的充分燃烧，再加上进气压力维持不变，进气中氧气含量不断增加，并且汽油机实际空燃比始终维持在理论值附近，这也意味着喷油脉宽需增加，这样缸内也就有更多燃料燃烧，导致缸内混合气燃烧总能量将显著提高，平均指示压力也得到提高。

图3 pi与喷油脉宽随进气含氧量的变化

图4表明，富氧燃烧时汽油机功率相比原机有显著提升，进气含氧量为25%时提高了20.7%。这可从汽油机动力性与平均缸压存在正相关性来理解。此外，从图4可看出，两参数的增长幅度逐渐趋缓。这是因为随着含氧量增加，缸内混合气得到充分燃烧，燃烧总能量得到提升，促使缸内温度上升显著，这将显著增加汽油机排气与传热损失，导致能量损失占燃料总能量的比重增大，汽油机输出有用功的增加幅度将减小。因此，富氧燃烧时，应采用其他技术，如优化点火提前角等，来改善汽油机热效率。此外，需说明的是部分负荷下富氧燃烧时，为保证动力输出一定，汽油机的节气门将减小，此时泵气损失将增加。

图4 汽油机动力性与进气含氧量的关系

汽油机富氧燃烧还能显著降低HC和CO排放，但会大大增加NOx排放(见图5)。25%含氧量时的HC排放相比原机降低了36%，CO排放降低了10.6%，而NOx排放增加了149.6%。这是因为随着含氧量增加，缸内混合气燃烧更加充分，未燃HC减少，且含氧量的增加也促使更多的CO转化成CO2，导致CO排放降低。而NOx排放主要受缸内氧气浓度与温度所影响，富氧燃烧时，缸内温度上升明显，加上氧浓度也有所提高，这些都促进NOx的生成。

图5 汽油机排放与进气含氧量的关系

2.3 单独进气掺氢对汽油机性能的影响

单独进气掺氢试验时，用气体质量流量计控制掺氢比为1%，2%，待汽油机工作稳定后，采集相关试验参数，结果见图6和图7。

图6中，汽油机平均指示压力与喷油脉宽随掺氢比的增加均有所下降。与原机相比，2%的掺氢比下，平均指示压力下降1.1%，喷油脉宽下降6.1%。这是因为试验时汽油机空燃比始终维持在理论空燃比附近，且进气压力不变，当掺氢比增加时，喷油脉宽将减小，每循环进入气缸的燃油减少，加上氢气是一种气体燃料，其体积热值较低，导致在同一进气压力下，缸内燃料总能量有所下降，所以平均指示压力略有下降。由此可知，相同进气压力与空燃比下，进气掺氢时汽油机的做功能力会有所下降。

图6 平均指示压力与喷油脉宽随掺氢比的变化

图7 汽油机排放与进气掺氢的关系

图7中进气掺氢时汽油机的排放试验结果表明，2%掺氢比的汽油机相对于原机，HC排放减少了31.2%， CO排放减少了46.1%，NOx排放则增加了12.6%。HC排放减少主要是氢气作为气体燃料，不需经雾化就能与空气快速混合形成混合气，并且氢气燃烧扩散速度比汽油快，火焰传播快，有利于掺氢燃料快速充分地燃烧；氢气的淬熄距离比汽油的短，掺氢后的缸内混合气火焰能更接近缸壁，减少了由于罅隙效应导致的未燃HC排放。此外，掺氢后，喷油脉宽减小，进入气缸内的燃油减少，而氢气是一种不含碳的燃料，这也在一定程度上导致理论空燃比下掺氢发动机HC排放的降低。CO排放降低的原因与HC类似。此外，CO排放降低幅度随掺氢比的增大而趋缓，甚至有增加的趋势，这是由于掺氢后混合气火焰传播速度加快，可能导致缸内局部出现贫氧区，加上掺氢后燃烧速度加快，后燃现象不明显，燃烧后期CO转化成CO2的速度变慢。掺氢后，在同一空燃比同一进气压力下，缸内氧气浓度与原机基本相同，但NOx排放仍有小幅增加，这主要是由于氢气火焰温度高，掺氢后缸内温度升高明显，导致热力型NOx排放增加，所以汽油机掺氢时，应控制好掺氢比，尽可能改善NOx排放。

2.4 掺HHO对汽油机性能的影响

HHO试验时，根据γ(HHO)与空气流量计采集的进气量确定需充入HHO的体积流量，并利用气体质量流量计使充入汽油机的氢气、氧气的体积比为2∶1。当汽油机运行稳定后，采集试验数据，结果见图8。

在图8中，同一工况下，当γ(HHO)为5.06%时，由于缸内燃烧质量得到改善，燃料充分燃烧，平均指示压力升高，较原机提高了6.43%。此外，掺HHO时，缸内存在一定程度的富氧量，此时缸内喷油量与原机相比增加了4.82%。由于平均指示压力与汽油机做功能力存在正相关性，因此，部分负荷下，富氧燃烧与掺HHO均有益于提高汽油机的动力性，且在动力输出一定时掺HHO，可减小汽油机泵气损失。在排放方面，当γ(HHO)为5.06%时，HC和CO排放较原机分别降低了29.4%和34.9%，而NOx排放增加了41.9%。与富氧燃烧与单独进气掺氢相比，掺HHO时的HC和CO排放量的降低效果与单独进气掺氢时接近。而掺HHO时的NOx排放介于进气掺氢与富氧燃烧两者之间，但明显优于富氧燃烧。

图8 汽油机掺HHO的台架试验结果

3 结论

a) 同一工况同一空燃比时，富氧燃烧的汽油机相比原机动力性具有显著提升，且比单独掺氢与掺HHO时的提升幅度都大；富氧燃烧能降低HC，CO排放，但却显著增加了NOx排放；

b) 试验条件相同时，单独掺氢后，汽油机的做功能力较原机略有下降，但HC，CO排放减少明显，NOx排放虽有所上升，但要好于富氧燃烧与掺HHO时的NOx排放；

c) 掺HHO时，汽油机的动力性有所提升，但小于富氧燃烧时的提升幅度，掺HHO时HC和CO排放的降低效果与单独掺氢接近，NOx排放虽也有增加，但明显小于富氧燃烧时的NOx的增加量，因此，汽油机掺HHO，能获得一个较佳的综合性能，比较适合应用在内汽油机燃烧方式改善的工程实践中去。

[1] 汪硕峰,纪常伟,闫皓,等.混氢体积分数对汽油机性能影响的试验研究[J]．内燃机工程,2011,32(1):43-48.

[2] 王磊.纯氢和天然气掺氢燃料发动机的试验研究[D]．上海：上海交通大学,2009.

[3] Ganesh R H,Subramanian V,Balasubra-manian V,et al.Hydrogen fueled spark ignition engine with electronically controlled manifold injection: An experimental study[J]．Renewable Energy,2008,33(6):1324-1333.

[4] 纪常伟,汪硕峰,闫皓,等.混氢汽油机的燃烧及排放特性试验[J]．北京工业大学学报,2008,34(12):1326-1331.

[5] 汪硕峰.掺氢汽油机燃烧与排放特性的试验研究[D]．北京：北京工业大学,2013.

[6] 姜伟,张玉银,李世琰,等.基于一维/三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟[J]．车用发动机,2015(6):39-43.

[7] 刘阳.带EGR的小型PFI汽油机富氧燃烧特性仿真研究[D]．郑州：河南科技大学,2015.

[8] D’Andrea T,Henshaw P F,Ting S K.The addition of hydrogen to a gasoline-fuelled SI engine[J]．International Journal of Hydrogen Energy,2004,29(14):1541-155.

[编辑： 袁晓燕]

Effect of Intake Hydrogen-mixed and Oxygen-enriched Combustion on Performance of Gasoline Engine

LIU Liliang1, ZHANG Hu1, ZHANG Yuyin1, ZHANG Wei2

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Institute of Space Power Sources, Shanghai 200245, China)

Based on JL3G10 gasoline engine, the test bench was built to test the performance of hydrogen-mixed and oxygen- enriched intake. Then the power and emission of gasoline engine were researched when the intake was mixed with different fractions of oxygen, hydrogen and both of them. The experimental results showed that engine power and torque increased by 20.7%, HC emission reduced by 36%, CO emission reduced by 10.6%，but NOxemission increased by 149.6% when the oxygen volume fraction was 25%. HC emission and CO emission reduced by 31.2% and 46.1% respectively and NOxemission increased by 12.6% when the hydrogen volume fraction increased to 2%. The power and emission of gasoline engine hadimproved when the volume fraction of hydrogen and oxygen mixture increased to 5.06%.

gasoline engine; bench test; intake; oxygen-enriched; hydrogen-mixed

2016-07-18；

2016-12-26

上海航天技术研究院—上海交大航天先进技术联合研究中心资助项目(USCAST2013-32)

刘利梁(1991—)，男，硕士，主要研究方向为汽车动力系统与电控技术；lll20090207@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.013

TK421.71

B

1001-2222(2017)01-0070-05