喷射策略对氢内燃机性能的影响

摘要：为了响应国家“碳达峰，碳中和”号召，实现“零碳排放”，选择氢气发动机作为碳中和的关键技术路线。为了快速实现内燃机燃烧氢气的相关试验研究，在汽油发动机的基础上，采用缸内直喷的氢气喷射方案，在1.5 L发动机上进行直喷氢气详细测试，对比了汽油和氢气燃料对发动机性能和油耗的影响；并在氢气直喷状态下，研究了不同氢气喷射参数，包括氢气喷射相位、氢气喷射压力和不同氢气喷嘴流量对氢气发动机热效率和NO排放的影响规律，为后续的氢气发动机开发奠定了基础。

关键词：氢气发动机；热效率；喷射相位；喷射压力；喷嘴流量；氮氧化物

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.007

中图分类号：TK463 文献标志码：B 文章编号：1001-2222（2024）05-0049-06

随着社会的快速发展，全球各国都开始重视人类赖以生存的环境和气候问题，降低碳排放成为了大家的共识。中国针对日益严峻的环境问题，也采取了积极的措施，并承诺“二氧化碳排放力争在2030年前达峰， 2060年前实现碳中和”。为了减少内燃机对环境的影响，必须探索新的“绿色燃料”，保证内燃机在较小的环境影响下具有良好的性能。

氢气作为重要的能量载体，其生产方式是多种多样的，主要包括蒸汽重整、气化以及化学或生物过程^［1］。氢气是零碳燃料，燃烧产物主要是水。由可再生能源生产的氢气，通常称之为“绿氢”。

内燃机可以使用氢气作为燃料，氢气发动机的历史已有200多年^［2］，最早可以追溯到19世纪初。在很长一段时间内受限于氢气燃料喷射技术、增压技术以及液态储氢技术不成熟，加之氢气发动机的效率低，大多数公司中途放弃了氢发动机的开发。在20世纪70年代到90年代之间，宝马和马自达开始开发商用氢动力车辆。氢气发动机在20世纪取得了重大进展，在现有发动机系统零部件基础上实现了氢气燃烧^［3］。在21世纪，随着许多新车型的开发，人们对新类型的汽车越来越感兴趣^［4-7］。

近些年国内高校和主机厂关于氢气发动机应用研究的热度逐渐增加。北京理工大学孙柏刚团队与国内多家企业合作，开发了氢气内燃机的演示样车^［8］。吉利汽车公司开发的第一代氢气发动机经过试验验证，实现了44.1%的有效热效率^［9］，目前已完成第二代氢气发动机的开发，最高有效热效率超过46%。本研究将重点分析在44.1%热效率开发过程中发现的氢气喷射策略对发动机性能的影响规律。

氢燃料作为内燃机和汽车产业实现“碳达峰和碳中和”目标的重要技术路线，是各主机厂应有的技术储备，虽然目前距离车用氢能的产业化还需要一定的时间，但针对氢燃料在发动机上的开发和应用具有非常重要的意义。本研究通过在基础汽油发动机上改烧氢气，试验研究气道喷射和缸内直喷两种不同的喷射方式对氢气发动机性能和排放的影响。

1 氢气发动机介绍

1.1 氢气特性

氢气和汽油作为发动机的燃料，特性对比如表1所示。与汽油相比，氢气辛烷值更高，具有更好的抗爆性，可以在汽油机的基础上提高几何压缩比。由于氢气的分子扩散率更高，活化能更低，氢气能在4%～75%的空气体积燃烧，具有良好的稀燃特性^［10］。氢气的层流火焰燃烧速度为汽油的4～5倍^［11］，燃烧速度更快。

氢气作为替代燃料在内燃机上应用，可沿用现有内燃机的系统结构，只需要对燃油供给系统进行针对性的改装，以适应氢气的存储和供给。氢气在内燃机上的供给方式主要包括外部混合和内部混合，不同喷射方式的特点如表2所示。

1.2 氢气发动机改装

为了进一步提升氢气发动机的热效率和功率、扭矩，在一款基础热效率较高的1.5 L直喷增压汽油发动机的基础上改制氢气缸内直喷方案。基础发动机参数如表3所示。

用于氢气缸内直喷的氢气喷嘴有两种形式，一种是类似汽油喷油器的改制款HDEV6，另一种是压电式氢气喷嘴。其中HDEV6氢气喷嘴和喷油器尺寸相同，无需改动发动机缸盖。压电式氢气喷嘴结构尺寸和喷油器差异较大，需要对缸盖进行结构变更。同时由于喷嘴的驱动电压更高，需要外挂控制器来驱动氢气喷嘴，外挂控制器从ECU取转速、正时等信号，通过CAN和ECU通信，同步控制压电式氢气喷嘴。两种氢气喷嘴的控制方式见图1。

2 氢气试验台架及设备

直喷氢气发动机试验台架为专用氢气发动机台架，测量设备参数见表4。发动机转速和扭矩通过湘仪FC2000测控系统测量，FC2490T1外部中冷设备用于控制进气温度，FC2430T机油恒温装置用于控制机油温度，空燃比通过空气流量计ToCeiL-20N080和氢气流量计RHEONIK RHM015L计算获得，缸内压力通过KISTLER 6045A测量，燃烧分析仪型号为KIBOX 2893，NO排放通过HORRIBA FTX-ONE-CS测量。氢气缸内直喷发动机台架布置如图2所示。

3 试验测试及结果分析

3.1 缸内直喷发动机性能

汽油直喷性能测试方法为，在发动机转速1 000～5 500 r/min范围，节气门全开，调整发动机转速，间隔500 r/min，在当量比条件下，测试各个转速工况点所能达到的最大扭矩、功率。测试结果如图3所示，发动机在2 500～4 000 r/min转速范围内均能达到最大扭矩215 N·m，4 000 r/min时最大功率为90 kW。更换氢气燃料，稀燃条件下，测试各个转速工况点所能达到的最大扭矩、功率。氢气直喷的喷射方式能达到汽油发动机的外特性扭矩水平，4 000 r/min时最大功率下降，主要是受到早燃限制。由于转速高于4 000 r/min时发动机早燃严重，考虑到发动机的安全性，试验时将转速控制在4 000 r/min以下。

图4示出了外特性工况的有效热效率和过量空气系数。氢气发动机在外特性工况均能实现稀薄燃烧，效率比原汽油机更有优势。

氢气直喷方案测试过程中，除了对发动机硬件方案进行选型，同时也对直喷氢气燃料的供给策略，包括氢气喷射相位、氢气喷射压力和氢气喷嘴流量变化对氢气发动机性能的影响进行了详细的测试研究，总结形成了氢气发动机特有的燃烧规律。

3.2 喷氢相位对发动机性能的影响

为了探究氢气喷射相位对发动机性能的影响，试验选择相同氢气喷嘴，固定氢气喷射压力10 MPa，发动机转速2 500 r/min，过量空气系数ϕ=2.3，控制发动机平均有效压力（BMEP）分别为0.2，0.6，1 MPa，在不同负荷下改变氢气喷射相位，测试记录不同氢气喷射相位对应的试验结果。EOI代表氢气喷射结束时刻。

有效热效率测试结果如图5所示。三种不同负荷条件下，随着氢气喷射结束时刻接近上止点，有效热效率逐渐升高。但氢气喷射结束时刻晚于-30°之后，NO排放急剧升高。以BMEP=1 MPa工况测试为例，如图6所示，EOI从-125°推迟到-25°，热效率从40.87%升高到42.45%，NO排放量从342×10^-6升高到634×10^-6。

图7示出BMEP=1 MPa条件下不同喷氢相位所对应的缸内压力。对比缸压数据可以发现，氢气喷射结束时刻越靠近上止点，进入缸内的高压氢气参与混合气压缩的时间越短，压缩过程中的压缩压力越低，压缩负功越小，这是氢气晚喷可提升发动机热效率的原因之一。

图8示出BMEP=1 MPa负荷条件下不同喷氢相位对应的放热率。由图可知，放热率呈现先快后慢的趋势，氢气喷射结束时刻越靠近上止点，从点火时刻到累计放热量达到50%的速度越快，燃烧等容度更高，效率更高，这是氢气晚喷热效率高的重要原因。但氢气喷射时刻太晚，氢气和空气混合时间缩短，会形成分层燃烧，气缸内局部浓区增加，可能是造成NO排放急剧增加的原因。

3.3 喷氢压力对发动机性能的影响

为了探究氢气喷射压力对发动机性能的影响，试验选择相同氢气喷嘴，固定氢气喷射结束相位EOI=-25°，发动机转速2 500 r/min，ϕ=2.3，控制发动机BMEP分别为1 MPa和1.15 MPa，在不同负荷下改变氢气喷射压力进行测试。

不同发动机负荷条件下，热效率随着氢气喷射压力的升高而增加，如图9所示。图10示出不同工况点的氢气喷射起始相位。氢气喷射持续期随着氢气喷射压力变化而变化，由于不同工况点喷氢结束相位相同，所以氢气喷射压力越高，氢气喷射脉宽越短，氢气喷射过程越靠近上止点，进入缸内的高压氢气参与混合气压缩的时间越短，压缩过程中的压缩压力越低，压缩负功小，发动机效率提升。不同氢气喷射压力测试时的燃烧放热规律与氢气晚喷类似，氢气喷射压力越高，喷射过程越接近燃烧上止点，燃烧前半段放热速度快，发动机热效率更高。不同负荷下NO排放均随着氢气喷射压力降低而增加，如图11所示。可能的原因是缸内背景压力影响了低压氢气喷射后期的混合。图12示出BMEP=1 MPa工况不同喷射压力对应的缸内压力变化。喷氢结束相位-25°对应的缸内压力达到2.6 MPa左右，若氢气喷射压力降低，氢气的贯穿距离小，氢气和空气混合变差，形成分层燃烧，局部浓区增加，故NO排放升高。

3.4 氢气喷嘴流量对发动机性能的影响

在进行氢气喷嘴试验时，选择相同氢气喷射压力10 MPa，固定氢气喷射结束相位-25°，发动机转速2 500 r/min，ϕ=2.3，在15 MPa喷射压力下分别更换喷嘴设计流量为2.5 g/s和5 g/s的两种氢气喷嘴进行测试。

热效率测试结果如图13所示，5 g/s流量喷嘴热效率更高，比2.5 g/s氢气喷嘴热效率提升0.4%左右。两种流量氢气喷嘴NO排放的测试结果如图14所示，5 g/s流量喷嘴的NO排放显著增加，比2.5 g/s氢气喷嘴NO排放增加730×10^-6。主要是因为喷嘴流量越大，喷射脉宽越短，氢气和空气混合时间越短，形成分层燃烧，NO排放增加明显。从试验结果来看，氢气喷嘴流量增大对热效率的提升较小，但是NO排放恶化明显，所以实际选择氢气喷嘴时需要平衡喷嘴流量对效率和排放的影响。

4 结论

a） 氢气缸内直喷能达到原汽油机的扭矩和功率水平，相对于汽油燃料，氢气燃料最小点火能量低，具有很好的稀燃特性，在普通火花塞点火条件下，能实现超稀薄燃烧，缸内工质绝热指数增加，传热损失较少，可大幅提升发动机的热效率，外特性有效热效率最高提升4%@2 500 r/min；

b） 氢气喷射相位对发动机的氢耗和NO排放影响明显，这和汽油燃料差别较大，汽油直喷发动机经济工况点常用的喷射相位是点火上止点前300°～360°，而氢气直喷时，喷射相位结束角在上止点前30°～40°时热效率最高；但是由于混合气分层，局部浓区增加，使得NO排放也随之增加；

c） 氢气喷射压力不同，相同工况下氢气喷射的结束角度也不同，试验时固定相同的氢气喷射结束相位，测试发现氢气喷射压力越高，发动机有效热效率越高，NO排放越低；

d） 氢气喷嘴流量不同，相同工况下氢气喷射结束角不同，试验时固定相同的氢气喷射结束相位，试验结果表明：喷嘴流量大，发动机有效热效率有所提升，但是NO排放增加明显；为了平衡效率和排放，在满足发动机性能的前提下，可选择相对较小流量的氢气喷嘴。

参考文献：

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Effect of Injection Strategy on Performance of Hydrogen Internal Combustion Engine

HU Ke，WAN Jia，MA Wenzhong，YUAN Shuang，WEI Hong，ZHAO Fucheng

（Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.， Ningbo 315336，China）

Abstract： In order to respond to the national call of "carbon peak， carbon neutrality" and achieve "zero carbon emissions"， hydrogen engine was selected as the key technology route of carbon neutrality. In order to conduct rapid experimental research on the combustion of hydrogen gas in internal combustion engine， a cylinder-direct-injection hydrogen injection scheme was adopted based on gasoline engine， and detailed testing of direct injection hydrogen was conducted on a 1.5 L engine. The effects of gasoline and hydrogen fuel on engine performance and fuel consumption were compared and analyzed. And under the condition of hydrogen direct injection， different hydrogen injection strategies were studied including hydrogen injection phase， hydrogen injection pressure， and different hydrogen nozzle flow rates， and the effects of them on the thermal efficiency and NO emissions of hydrogen engine were further studied， which laid a foundation for the company subsequent development of hydrogen engine.

Key words： hydrogen engine；thermal efficiency；injection phase；injection pressure；nozzle flow rate；nitrogen oxide

［编辑：潘丽丽］