预混合氢气对柴油机爆震燃烧的影响

胡建功，王欲进，江冰，高瑞娟

(太原学院机械工程系，山西 太原 030032)

交通运输的替代燃料包括乙醇、甲烷、压缩天然气、液化石油气和氢气。在这些燃料中，氢气是唯一的无炭燃料，因此被认为是与柴油混合以满足发动机所需特性的最佳选择之一[1-4]。氢气可以通过化石燃料、光催化生物质及电解水技术制取，氢也是宇宙中存储量最丰富的元素之一，氢气具有扩散系数大、着火界限宽、火焰传播速度快等特点[5-7]。爆震燃烧是限制氢气-柴油预混压燃发动机性能的重要因素之一；柴油机爆震的产生与燃气的组成、环境条件、工况等有关[8]，虽然氢气是理想的替代燃料，但柴油机预混氢气带来回火、早燃、爆震和排放等问题，以上这些都限制了替代燃料技术在柴油机上的应用及商业化进程。研究发现：当发生轻微爆震时，燃烧过程更接近定容燃烧，发动机的功率和热效率均有所提高[9]。而强烈的爆震会引起一系列的问题，如发动机过热、零件应力增加、输出功率降低及排放水平恶化等[10]。由于氢气燃烧速率快，其在柴油机上应用时爆震尤为明显[11]。文献[12]研究表明，柴油机掺氢模式下发动机产生爆震的工况范围优于纯柴油模式。文献[13]研究表明，柴油机预混合氢气时缸内压力表现为高频大幅度波动，利用时域缸压检测系统对缸压信号进行高通滤波处理，以避免高频压力振荡产生的误差，提高发动机的可靠性，减少爆震现象的发生。文献[14]报道了不同质量分数的氢气对柴油机喷油正时的影响，通过喷油策略优化燃烧和排放，以避免爆震产生。

关于爆震极限时氢气喷入柴油机的最大替代率以及排放尚未有人研究，本研究基于图形编程软件LabVIEW对发动机缸压进行采集与分析，通过调节器控制氢气质量流量，研究不同转速和负荷下，预混合氢气在爆震极限工况点对柴油机性能、燃烧及排放的影响。

1 试验系统及方案

1.1 试验系统

台架试验所用柴油机为WP7.270E40增压中冷直喷发动机，该柴油机的主要性能参数见表1。试验过程中对原机进行改装，采用Cylmate压力传感器测量缸内压力，传感器安装在6个气缸内，与气缸盖内侧平齐；由氢气存储罐供给氢气，通过压力调节器降低压力后，氢气通过热交换器达到室温；在增压器和中冷器之间引入一套电动针阀装置测量氢气流量，目的是为了氢气和空气进行充分的混合。图1示出台架试验系统结构。试验采用FloScan 236C流量计测量柴油质量流量；采用Rosemount NGA2000发动机排放分析仪测量废气中NOx、CO、HC、CO2和O2的浓度：NOx和O2的浓度采用电化学方法测量，测量精度分别为1×10-6和0.01%；HC浓度测量采用氢火焰离子化检测器，测量精度1×10-6；CO和CO2的体积分数采用不分光红外线气体分析仪，测量精度分别为0.01%和0.1%；采用AVL415SE烟度计测量废气的不透光度，测量精度为0.1%。

1—压力调节器；2—节流阀；3—热交换器；4—氢气质量流量计；5—电动针阀；6—中冷器；7—涡轮增压器；8—空气流量计；9—AVL415烟度计；10—转速显示器；11—机油压力显示器；12—扭矩显示器；13—水温显示器；14—油温显示器；15—功率显示器；16—缸压传感器。

1.2 试验方案

在固定转速和负荷下以稳定工况进行台架试验，测试转速分别为1 400 r/min、1 600 r/min、1 900 r/min和2 300 r/min，选择5种常用工况，负荷分别为30%，50%，60%，75%和90%。试验过程中，由于发动机通常不会在低转速、高负荷下工作，因此舍弃1 400 r/min，75%和90%负荷工况点以及1 600 r/min，90%负荷工况点。台架试验分别在原机和预混氢气两种模式下进行对比和分析。原机试验过程中不改变喷油正时；预混氢气模式下，氢气替代率持续增加，直到发动机发出爆震指示，停止喷入氢气，调整转速和负荷稳定后关闭氢气流量计，记录相关数据。试验过程中为保证试验数据的准确性，每个工况点在相同条件下重复测试3次，取3次测量的平均值作为最终数据。

2 试验结果及分析

2.1 爆震极限时预混氢气对发动机性能的影响

在预混氢气模式下，保持发动机功率不变，通过发动机控制模块(ECM)减少柴油的喷入量来调整氢气的喷入量，氢气替代率的计算公式为

(1)

发动机爆震极限时氢气的最大替代率如图2所示。从图中可知，在4种不同的转速下，氢气替代率均随着发动机负荷的增加而减小，氢气的喷入量随着发动机转速的提高而增大。这是由于氢气替代率的增加促进了燃烧反应的进行，火焰传播速度加快，在爆震极限设置氢气替代率的对应阈值，保证较低负荷下有较大的氢气喷入量。在2 300 r/min，30%负荷工况，氢气替代率达到最大，为83%；转速1 600 r/min和1 900 r/min工况下，氢气替代率的曲线趋于一致。

图2 发动机爆震极限时氢气最大替代率

热效率是评价柴油机燃烧性能的一项重要指标。试验条件相同下，发动机效率越高，气缸峰值压力越高，发动机扭矩越大，整车加速性能也越好。发动机转速不变，热效率随负荷的增加而增加(见图3)，这与文献[15]研究结果相反，原因是以往研究中喷油正时固定，而本研究喷油正时由ECM实时改变，随着喷油正时的推迟，发动机工作循环内所做的功减少，导致热效率较低。预混氢气相比原机状态下热效率提高1.4%～7.7%。预混氢气模式下，发动机热效率随着负荷增加而提高，这是由于氢气的火焰传播速度快，导致燃烧速率加快，缩短了热量传递到气缸壁的时间，另外相比同等质量分数的柴油，氢气的热值更高，导致缸内峰值压力更高，向外做功能力提高。

图3 原机与预混氢柴油机模式下发动机的热效率

2.2 爆震极限时预混氢气对燃烧性能的影响

试验过程中喷入氢气，直到发动机开始喘振，此时即为发动机爆震极限的阈值，数据分析中以F代表原机，H代表预混氢气柴油机，字母后面数字代表发动机负荷百分比。

图4表明，预混氢柴油机相比原机缸内压力发生显著变化，预混氢柴油模式下，缸内压力在燃烧起始之前随着负荷的增加而上升，在负荷为50%和60%时，峰值压力出现在9°ATDC 和11°ATDC处，预混氢柴油机相比原机缸内峰值压力分别提高了39.6%和28.4%。这是由于氢气的高燃烧速率使缸内燃油和空气混合后快速释放能量，缩短了滞燃期和燃烧持续期；另外相同质量占比的氢气热值高于柴油，因此缸压峰值明显提高。在30%负荷下，峰值压力下降，这是由于随着氢气的喷入，ECM自动减少柴油喷射量，使燃烧室内压燃变得较为困难，不利于火焰的传播。

图4 1 400 r/min时缸内压力变化

图5表明，在转速为1 600 r/min的原机模式下，峰值压力出现在TDC附近；预混氢柴油机模式相比原机缸压峰值有所提升，缸内最高燃烧压力相位向后延迟，在负荷50%，60%和75%时，峰值压力出现在8.4°ATDC，8.9°ATDC和9.1°ATDC，相比原机分别增加了30.7%，20.8%和11.9%。压力升高率是反映燃烧速率的快慢程度，图5中4个发动机负荷下，预混氢柴油机的缸内压力升高率均有所降低，这是由于喷入的氢气取代一部分空气，压缩机内的空气流量减小，导致发动机缸内压力升高率下降。

图5 1 600 r/min时缸内压力变化

图6表明，转速为1 900 r/min时，在负荷50%，60%，75%和90%下，混氢柴油机峰值压力出现在7.3°ATDC，8.9°ATDC，6.3°ATDC和7.1°ATDC处，相比原机分别增加了31.1%，12.4%，6.7%和8.2%。同时，随着氢气替代率的增加，发动机缸内压力压升幅值降低了，低负荷相比高负荷状态压升降低幅度较小，使得低负荷的峰值压力比高负荷的峰值压力增幅更大。原机状态下，转速为1 900 r/min与1 600 r/min时峰值压力相似，氢气的喷入使得混合气在TDC后开始燃烧，缸压峰值均超过原机模式，这是由于在预混合柴油机模式下，喷入氢气后火焰传播速度加快，提高了燃油的扩散燃烧速度。

图6 1 900 r/min时缸内压力变化

图7表明，转速为2 300 r/min时缸内压力与1 600 r/min和1 900 r/min有所不同。预混氢柴油机在负荷50%，60%，75%和90%时，峰值压力出现在6.8°ATDC，9.0°ATDC，7.5°ATDC和6.9°ATDC，相比原机分别增加了21.6%，10.2%，-4.8%和-0.4%。峰值压力随着发动机负荷先降低后增加，分界点在负荷75%处。这是由于喷入氢气降低了柴油机的过量空气系数及空燃比，提高了气缸内的混合气浓度。

图7 2 300 r/min时缸内压力变化

为了优化爆震燃烧过程，喷入氢气时，允许改变发动机的主喷时刻。由图8可见，预混氢柴油机较原机的喷油正时提前，预混氢柴油机状态下喷油正时呈线性分布。这是由于随着喷油正时的提前，燃烧的滞燃期延长，油气混合更加充分，使得预混氢柴油机缸内压力和压力升高率升高较多，但功率增加不多[16]。预混氢柴油机模式下，随着发动机负荷的增加，主喷喷油正时出现不断延迟现象。这是由于随着氢气替代率的增加，柴油燃油变化量较小，使得氢气柴油混合气浓度增大，火焰传播速度加快。综上所述，喷油正时的确定对预混氢柴油机非常关键。

图8 原机与混氢柴油机模式下发动机的喷油正时

2.3 爆震极限时预混氢气对排放性能的影响

使用氢气作为燃料的发动机，NOx排放通常会增加[17-19]。这是由于氢气燃烧温度较高，通过热生成机制导致NOx排放增加。图9表明，在1 600 r/min，1 900 r/min和2 300 r/min的最大负荷工况，预混氢柴油机模式的NOx排放接近原机模式，分别增加了19.6%，-2%和28.2%；在负荷为50%工况，NOx排放最高，分别增加了134%，206%和248%；在负荷为30%工况，混氢燃烧有降低NOx排放的作用，这是由于喷入的氢气具有高扩散性，降低了燃烧室内油气局部浓度过高的情况，促使油气混合更加均匀，但是随着混氢替代率的增加，缸内混合气空燃比较小，缸内燃烧温度提高，导致NOx排放增加。在原机各工况下，NOx排放相对稳定，随着转速的提高而减少。在预混氢柴油机模式下，NOx排放在中高负荷工况随着负荷的增加而降低，这是由于喷入的氢气使得缸内混合气浓度达到化学计量比，滞燃期缩短，NOx在缸内的停留时间缩短，相应生成量也会降低。

图9 原机与混氢柴油机模式下NOx排放

柴油机降低NOx排放的主要策略之一是采用SCR技术。图10示出不同负荷下 NO2与NOx排放比值，NO2与NOx比值增大可以显著降低NOx排放，比值范围0.4～0.6为降低NOx排放的最佳条件[20]。在原机状态下，NO2与NOx比值从低负荷的0.57降到高负荷的0.3；随着喷入氢气的增加，NO2与NOx比值达到0.4～0.6，这将有利于在预混氢柴油模式下使用SCR系统来减少NOx的排放。

图10 原机与混氢柴油机模式下NO2与NOx排放比值

图11表明，预混柴油机模式下氢气的喷入可以有效降低CO2排放，30%负荷下CO2排放接近零，但是发动机燃烧不稳定。这是由于氢气作为燃料不含HC分子，部分柴油被氢气取代，有效地降低了燃油中C/H比。CO2排放量随负荷的增加而增加，这是由于随着功率增加，氢气的高自燃温度使得喷油正时提前，缸内含碳排放物有足够时间被氧化，需要更多的燃料产生更高的负荷，提高发动机热效率，从而导致CO2排放进一步升高。

图11 原机与预混氢柴油机模式下CO2排放

图12示出不同负荷下CO排放随转速的变化。在负荷为60%及以下工况时，预混氢柴油机CO排放量较原机显著降低。这是由于中低负荷时缸内供氧不足，油气混合燃烧不均匀，而喷入氢气加快了火焰燃烧速度，扩大了燃烧范围，抑制了缺氧情况的存在，加速了氧化反应，缸内燃烧得到改善。另外，氢气在燃烧过程中反应生成水蒸气，在一定程度上降低了CO排放。负荷为75%和90%时，氢气的喷入导致CO排放增加。这是由于氢气的增加导致燃料热值逐渐增加，局部燃烧不充分，使得不完全燃烧产物CO逐渐增加。

图12 原机与混氢柴油机模式下CO排放

图13表明，喷入氢气后HC排放量减少，这是因为氢气的燃烧特性提高了火焰传播速度，预混燃烧彻底，改善了燃烧质量，提高了缸温。另外，氢气的喷入取代部分柴油，加速缸内的扩散燃烧，降低燃烧室激冷层容积，从而降低HC排放量。中高负荷工况下，随着负荷增加，HC排放量升高，这是由于随着氢气替代率及负荷的不断增加，氢气燃烧也要消耗空气，从而降低过量空气系数，发动机功率的提高以增加柴油消耗为代价，喷到气缸壁的柴油增加，影响柴油蒸发、混合，导致部分柴油未能完全燃烧，HC排放量上升。但预混氢柴油机的HC排放值总体趋势小于原机。

图13 原机与混氢柴油机模式下HC排放

图14示出不同转速下炭烟排放随负荷的变化。由图中可知，加入氢气后柴油机的波许烟度值在各负荷下相对原机均呈下降趋势。在中低负荷下，波许烟度值增加缓慢，这是由于柴油的循环喷油量较少，缸内含氧较多，燃烧充分，表现为富氧燃烧，从而炭烟排放量较低。在负荷50%以上时，氢气对炭烟的抑制作用尤为显著，最大降低幅度为57.8%。这是由于随着氢气的加入提高了缸内火焰的传播速度，加速了缸内燃烧过程，从而降低了炭烟排放。

图14 原机与混氢柴油机模式下炭烟排放特性

3 结论

a)在负荷为50%的标定转速下，氢气最大置换率达83%；随着负荷的增加，氢气替代率减少；氢气的喷入加速并改善了燃烧进程，提高了各工况点的热效率，与原机相比增加显著；

b)预混氢气缩短了速燃期及燃烧持续期，喷油正时提前，缸内压力峰值明显提高；

c)预混氢柴油机模式下，CO，CO2，HC和炭烟排放量均减小，NOx排放量最大增加248%，氢气的喷入提高了NO2与NOx排放比值，有利于SCR效率的提高。