富氧燃烧对PFI氢内燃机性能的影响

付洪宇，柴华，孙柏刚，包凌志

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

随着化石能源的日益减少，发展替代能源成为必然的选择。氢能是一种极具发展潜力的可再生能源，其分子中不含有碳元素，故反应后不会产生温室气体CO2和含碳污染物如HC和CO[1-2]。而且氢能易存储，这一点不同于太阳能、潮汐能、风能等可再生能源，可以将其他能源转化为氢能储存起来。

氢能的利用方式主要有燃料电池和氢内燃机两种。我国每年工业副产氢的量在1 000亿m3以上，这部分氢气纯度达不到燃料电池的要求且提纯成本高，目前最合适的利用途径便是氢内燃机。而且燃料电池系统能量密度低，低温下有结冰问题，在某些极端环境(如临近空间甚至太空)的表现远不如氢内燃机。因此，研究氢内燃机是十分必要的。

氢气的着火范围相较于汽油更宽，可以采用稀燃的策略提高热效率，同时降低NOx排放[3-4]。但是采用进气道喷射策略的氢内燃机功率约为原汽油机的80%左右，这是因为气态燃料占用了气缸体积使得吸入的新鲜空气量减少[5]。国内外学者为改善氢内燃机的动力性和经济性做了很多研究。Boretti等[6]采用氢气低温喷射和进气增压的方式缓解进气道喷射氢气导致进气量减少的问题。在过量空气系数为2.32的情况下，该发动机的功率可以达到80 kW，扭矩可以达到150 N·m。运行在过量空气系数为2.32～3.57的条件下，绝大多数工况热效率都能达到35%以上。Verhelst等[7]通过增压的方式提高发动机的进气量，选取NOx排放100×10-6为限制条件，进气增压0.1 MPa时，相对于自然吸气状态，发动机扭矩可以提高80%，但还是略低于汽油机的扭矩。在此基础上增加EGR和三元催化器后，发动机可以运行在化学当量比工况。假设三元催化器转化效率为95%，发动机能达到的最大功率相较于汽油机可以提高30%。为了进一步增加进气量和防止异常燃烧现象，比如回火和早燃，学者们提出了缸内直喷氢内燃机的概念。Matthias等[8]在一台单缸发动机上进行了试验，同时采用进气增压以保证不同负荷(IMEP)下的过量空气系数为3.3。试验表明，当采用进气门关闭后立即喷射的策略时，80%的工况热效率都能达到35%，最高热效率为43%。适当推迟喷射开始时刻，还能进一步提高热效率，最高热效率达到45%。通过改变喷油器的结构，将5孔喷油器变为4孔，可以促进混合气分层，进一步降低NOx排放。

富氧燃烧技术大规模应用于资源和能源依赖型行业[9]。国内外很多学者针对富氧燃烧在内燃机中的应用开展研究。研究发现富氧燃烧能够降低PM,HC,CO排放，提高发动机输出功率，但会使NOx排放显著增加[10-12]。对于汽油机，富氧进气还可以减轻循环变动，提高燃烧稳定性[13]。

以目前的技术水平，采用增压或者缸内直喷的方式来提高氢内燃机的动力输出仍存在部件可靠性等问题[14]，并且尚没有关于富氧燃烧对氢内燃机性能影响的研究。故本研究通过试验和仿真来研究富氧进气对进气道喷射氢内燃机动力性和经济性的影响。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

试验采用铃木UA125T-A单缸摩托车发动机作为研究机型，基本参数见表 1。试验采用Motohawk ECM-0554-112-0904-C/F电控单元，单点电控喷射，风冷，开环空燃比控制。

表1 发动机基本参数

测功系统为湘仪FC2012W发动机测控系统，配合湘仪GW10电涡流测功机。NOx和排气氧浓度测量采用HORIBA MEXA-720便携式NOx-A/F分析仪。缸内压力传感器为Kistler火花塞式压力传感器，配合海德汉角标仪和电荷放大器。燃烧数据分析采用Kistler2893A燃烧分析仪。

1.2 试验方法

采用气瓶供气的方式，发动机直接吸入配置好的不同氧氮比例合成空气。点火角采用最佳扭矩控制策略。在此对后续提到的当量比进行定义：针对某氧气体积浓度的氧氮合成气，氢气燃烧所需理论质量与实际质量之比。比如在此定义下当量比同为1时，燃烧1 g氢气需要氧浓度为21%的合成空气34.33 g，而40%氧浓度的合成气仅需18.5 g。氢空状态指的是采用21%氧浓度合成空气的氢发动机试验。氢空状态由于运转稳定，试验时当量比控制在0.7。进气氧浓度增至30%、40%后，由于回火的限制无法实现0.7当量比稳定运转，所以当量比为此工况下发动机不发生回火的极限当量比。

2 空气试验及仿真模型的建立

2.1 空气试验结果

空气试验中同样采用气瓶供气的方式以排除供气方式对发动机性能的影响。图1和图2分别为发动机外特性功率、气体流量试验结果。从图中可以看出，发动机的功率、气体流量随转速上升而上升，且斜率有增大的趋势。原因是该发动机的标定转速高达6 000 r/min，发动机配气相位针对高转速设计，进气门迟闭角较大(51.5°)，低转速时部分混合气又被推回进气管，导致试验转速范围内发动机的充量系数随转速的增大而增大(见图3)。

图1 氢空外特性功率试验结果

图2 氢空外特性气体流量试验结果

图3 充量系数随转速的变化

2.2 一维仿真模型的建立

根据试验台架实际的进气管路，建立了发动机一维仿真模型(见图4)。图5示出发动机转速为3 000 r/min时发动机缸内压力对比。从图中可以看出，仿真缸压与实际缸压基本一致。图6示出外特性状态下各转速进气流量的试验与仿真结果对比，各转速进气量误差均在5%以内。所以该模型符合发动机仿真的精度要求，可以用于其他工况的发动机性能预测。

图4 一维仿真模型

图5 仿真试验缸压对比

图6 仿真试验空气流量对比

3 富氧燃烧试验

由于发动机标定转速高，选取运转较稳定的4 000 r/min进行负荷特性分析。进气氧浓度提高后，由于回火的限制只能采取降低当量比的控制策略，故此时30%、40%氧浓度的当量比为不发生回火的极限当量比。发动机运转的当量比见图7。高氧浓度时随着负荷的增大，若继续保持相同当量比增大喷氢量会出现回火，因此，减少喷氢量，调低当量比。30%进气氧浓度时发动机稳定运转的当量比只能维持在0.6以下，40%氧浓度时在0.3～0.4之间。进气氧浓度升高后发动机易回火的主要原因有以下两点：一是高氧浓度和此时更大的喷氢量提高了混合气的反应活性，使得混合气更易被点燃；二是每循环缸内燃烧的氢气量增加，导致缸体温度和排气温度升高，混合气进入气缸时面临的环境更加恶劣，易发生回火。

图7 不同进气氧浓度下当量比情况

30%氧气浓度时，尽管当量比低于氢空状态，但是由于氢气流量大(见图8)，导致功率较氢空状态平均提高了12.83%(见图9)。功率随节气门开度先增大后基本保持不变，是由于试验台架选用的节气门较大，节气门开度未达到100%时发动机已达到外特性。同时由于缸内氢气浓度和氧气浓度的增加，导致燃烧持续期平均缩短18%(见图10)。节气门开度10%时燃烧持续期短的原因是此时的当量比明显大于其他开度时的当量比。

图8 不同氧浓度下氢气流量随节气门开度的变化

图9 不同氧浓度下功率随节气门开度的变化

图10 不同氧浓度下燃烧持续期随节气门开度的变化

40%氧气浓度时，可以看出氧浓度升高后回火对喷氢量的限制更加严重。节气门开度达到30%之后，氢气喷射量比氢空状态更低。这也直接导致了功率的下降。后续考虑通过优化发动机的配气相位来抑制回火，从而实现高氧气浓度下的稳定运转。

由图10可见，氧浓度增加后，燃料的燃烧持续期随负荷呈现先增加后降低的趋势。原因是在小负荷时发动机不易回火，所以允许采用更浓的混合气，加快了燃烧速度；大负荷时虽然由于抑制回火调低了当量比，但是缸内气体质量大，压缩终了时缸内的温度和压力也更大，缩短了燃烧持续期。

4 仿真研究

在实际发动机试验中由于回火的限制富氧进气后无法实现0.7当量比稳定运转，所以采用仿真的方法对该发动机在0.7当量比时的运转状态进行预测。所有仿真均为外特性(节气门全开)状态。

4.1 动力性分析

图11、图12、图13分别示出发动机功率、空气流量、氢气流量的仿真结果。进气氧浓度由21%增至30%，氧浓度增大42.86%，功率平均增加20.5%；进气氧浓度增至40%，氧浓度增大了90.48%，功率平均增加36.5%。功率增大是由于进气中的氧浓度增加，当量比相同的情况下进入发动机燃烧的氢气量增加(见图13)。但是功率增加的幅度远小于进气中氧浓度的增大幅度，主要原因有两点：一是对于进气道喷射的气体发动机，气态燃料喷射量的增大会使燃料占据的气缸容积增大，从而减小吸入新鲜空气的质量(见图12)，氧浓度增至30%，进气流量平均减少8%，氧浓度增至40%，进气流量平均减少15.23%；二是由于传热损失和排气热损失的增加，导致发动机的热效率有所下降。

图11 功率随转速变化对比

图12 空气流量随转速变化对比

图13 氢气流量随转速变化对比

4.2 经济性分析

图14至图17是有关发动机经济性的部分参数仿真结果。从图14可以看出，虽然增氧后燃烧持续期大幅缩短，但发动机的热效率反而下降。进气氧浓度增至30%，热效率平均下降2%；氧浓度增至40%，热效率平均下降4%。

图14 热效率随转速变化对比

图15示出发动机传热损失占输入总能量比例的仿真结果。仿真中可以得到传热损失功率，除以输入的总功率(氢气流量与低热值之积)即可得到该值。从图中可以看出，不同氧气浓度时传热损失占输入总能量的比例随转速升高均呈逐渐减小的趋势。原因是随着转速增加，输入发动机的燃料量几乎成正比增加，虽然由于缸内气体的温度升高，传热量有所增加，但总传热时间基本相同，所以传热损失能量的增速要远小于输入总能量的增速，便使得该比例随转速增加逐渐减小。进气氧浓度增加后，每循环缸内燃烧的氢气量增加，导致缸内气体的燃烧温度升高，故各转速传热损失占输入能量的比例均有所增加。从30%、40%氧浓度的仿真结果来看，该值随着氧气浓度的增大，增幅逐渐减小，这是由于燃烧产物中水蒸气的比例增大，导致燃烧产物的比热容增大，在一定程度上抑制了燃烧温度的进一步升高。

图15 传热损失占总能量比例随转速变化对比

图16示出发动机排气温度的仿真结果。从图16中可以看出，排气温度随着进气氧浓度和转速的增大而升高，排气带走的热量也相应增多。进气氧浓度增大，每循环燃烧的氢气量增加，缸内燃烧温度升高，从而导致排气温度升高。转速增大，每循环的绝对时间减小，每循环缸内气体向外传热量减少，导致排气温度升高。

图16 排气温度随转速变化对比

对于预混点燃式氢气内燃机来说，燃料不完全燃烧的量极少。故内燃机的热平衡可用方程式表达如下：

QT=Qi+Qw+Qr。

式中：QT为燃料在气缸中完全燃烧释放的总热量；Qi为转变为指示功的热量；Qw为传热损失的热量；Qr为被排气带走的热量[15]。

由此可以根据输入发动机的燃料流量、燃料的低热值、传热损失功率和发动机指示功率计算出排气损失的功率，再除以输入的总功率(氢气流量与低热值之积)即可得到排气带走的热量占总能量的比例，结果见图17。进气氧浓度为30%时，相较于氢空状态该值变化不大，低转速时该值还有所下降。这是因为进气氧浓度为30%时，输入的氢气量增加了29.8%。以4 500 r/min为例，排气损失能量占比相较空气状态仅提高0.34%，远小于热效率的降低量(1.8%)，结合图14和 图15可以得出，此时传热损失的大幅增加是热效率降低的主要原因。40%氧浓度热效率相较于30%氧浓度降低2%，而传热损失和排气损失各增加约1%，说明进气氧浓度继续增大，排气热损失对热效率的影响增大。

图17 排气损失占总能量比例随转速变化对比

5 结论

a)适当提高进气氧浓度可以提高氢内燃机的功率，但对于进气道喷射氢内燃机会加剧回火现象，因此需要采取降低当量比的控制策略；不改变配气相位的情况下，40%氧浓度时极低的当量比会导致功率低于空气状态，后续研究考虑通过调节配气相位实现更高当量比稳定运转；

b)对于进气道喷射氢内燃机，进气中氧浓度的增大幅度远大于功率提高的幅度；

c)发动机热效率随进气氧浓度的增大而降低，较低氧浓度时传热损失增大是热效率降低的主要原因，氧浓度进一步增大，排气损失对热效率的影响增大。