掺氢比对氢-甲醇发动机稀薄燃烧及排放影响

时间：2024-06-19

姚勇，马毅，王坤，刘明，谢思幽

（1. 工业和信息化部装备工业发展中心，北京 100846；2. 中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；3. 车辆排放与节能重庆市重点实验室，重庆 401122）

随着我国汽车保有量的进一步增大，其污染物排放已经对环境造成了严重影响。为了保护环境，节能减排，2016年国家环保部联合其他相关部委发布了较为严苛的排放法规——《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，给内燃机排放控制带来了更大挑战［1-4］。

为了应对当前严苛的排放法规，国内外专家对内燃机的替代燃料进行了大量的研究。比如甲醇燃料，其分子式为CH3OH，是一种含氧燃料，来源广泛，同时具备和汽油极为相似的理化性质、便于运输和燃烧后污染物排放少等优良的特性，因此，被公认为是21世纪最具发展潜力的替代燃料。不过甲醇燃料的推广也面临一些问题，比如甲醇的汽化潜热很高，是汽油汽化潜热的3倍，汽化潜热过高且点火能量高使甲醇发动机冷启动困难，在低温环境下甚至会导致冷启动失火现象，将增加污染物的排放。宫宝利等［5］研究了通过电热塞辅助加热，提高进气温度以改善甲醇发动机冷启动性能，研究表明，当进气温度由283 K 提高到 293 K，燃烧滞燃期缩短了1.3 °CA，最高气缸压力和最高燃烧温度分别升高 0.59 MPa 和165 K，未燃甲醇和甲醛排放浓度下降幅度分别为 49%和32%；当进气温度由 293 K升高到 313 K，提高进气温度对改善燃烧和降低醇醛排放的作用有一定程度下降；当进气温度超过 313 K ，提高进气温度对改善燃烧和降低醇醛排放效果微弱。彭乐高等［6］研究了通过提高进气中氧气含量改善甲醇发动机冷启动性能研究，研究表明，提高进气中氧气含量可以在冷启动工况下，有效提高活性基团 OH、O 和 H的摩尔浓度，从而促进甲醇燃烧“链式”反应，同时能够加快甲醇燃烧速度，提高燃烧温度减低醇醛类物质排放。针对甲醇燃料点火能量的理化性质，结合氢气点火能量低的特性优点，为解决甲醇发动机冷启动困难的难题，李朝晖等［7］研究了进气掺氢对甲醇发动机的燃烧排放影响，研究表明，掺氢对促进点火时刻缸内自由基池增长有极其重要的影响，能先导触发甲醇氧化“链反应”启动，使甲醇氧化提前并更加剧烈，火焰传播速度更快，能够有效改善燃烧，且掺氢比例是影响 OH 自由基、未燃甲醇与甲醛质量分数的最主要因素，在过量空气系数 1.4 的稀薄燃烧工况下，具有较低的未燃甲醇与甲醛排放量。然而，在目前的研究中，针对掺氢比对甲醇发动的燃烧及排放的影响的还较少，本文基于一台1.8 L直列四缸涡轮增压缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）发动机，燃料采用纯度为M100的工业甲醇，研究在进气中导入体积比分别为0%、3%、6%的H2对甲醇发动机燃烧及排放的影响。

1 试验设备及方法

1.1 发动机试验平台

试验所用的发动机详细技术参数见表1。

表1 试验发动机主要技术参数

发动机试验平台如图1所示，试验数据采集系统是AVL Puma Open 系统，H2采用的是用钢制储氢瓶储集的纯度为99%的工业H2。通过科里奥利流量计控制实现不同的掺氢比。

图1 发动机试验平台

1.2 试验测试平台及边界条件

本文主要是通过控制进气道H2流量，在小负荷工况下（进气歧管压力为70 kPa）研究不同掺氢比对发动机稀薄燃烧和排放的影响，为确保试验数据的准确性及可靠性，试验及测试系统采用了较为先进的设备，其详细参数见表2。

表2 测试设备技术参数

试验边界条件见表3。

表3 测试边界条件

1.3 数据处理方法

本文通过控制节气门开度控制进气流量以及进气道中H2的流量来控制掺氢比，掺氢比β计算公式定义如式（1）所示。

式中：β为掺氢比；VH2为H2的体积流量，L/min；Vair为进气体积流量，L/min。

燃烧循环变动系数为缸内燃烧平均指示压力的变动系数，详细计算公式为：

式中：Pi是第i个循环的压力平均值；P为连续k个循环的Pi的平均值，且当前取k=200。

本文试验采用的是H2/甲醇双燃料，燃空当量比Φ的计算公式为：

式中：mH2、mmet、mair分别为H2、甲醇、空气的质量流量，g/min；AFstH2、AFstmet分别为H2、甲醇的理论空燃比。质量流量与体积流量的转换关系与参考文献［7］一致。

2 试验结果及分析

2.1 不同掺氢比对稀薄燃烧的影响

不同掺氢比对甲醇发动机缸内燃烧压力峰值及其对应的曲轴转角如图2所示。由图2a可知，当燃空当量比小于0.845时，缸内燃烧压力峰值随掺氢比的增大而增大。随着燃空当量比的增大，在不同掺氢比下，缸内燃烧压力峰值均有增大的趋势，且在掺氢比为0%、燃空当量比为1时缸内燃烧压力峰值最高。原因是，当燃空当量比小于0.845时，缸内混合气处于稀薄燃烧状况，掺氢能够提高混合气的燃烧速率，进而提高燃烧的定容性，能够有效提高缸内燃烧压力峰值［8-10］。由图2b可知，随着燃空当量比的增大，掺氢对缸内混合气燃烧速率的影响减弱，燃烧压力峰值对应曲轴转角差值逐渐减小；同时提高掺氢比，会减少甲醇的喷射量，由于氢气的理论空燃比为34.35，远大于甲醇的理论空燃比6.45，因此，减少掺氢和增大燃空当量比能增加甲醇喷射量，所以当掺氢比为0%且燃空当量比为1.0时，缸内燃烧压力峰值更大。

由图2b可知，提高掺氢比能够减小缸内压力峰值对应的曲轴转角。当燃空当量比为0.625时，掺氢比为0%、3%、6%时，其燃烧压力峰值对应的曲轴转角分别为22.5 °CA ATDC、11.0 °CA ATDC、9.5 °CA ATDC。随着燃空当量比增大，不同掺氢比下燃烧压力峰值对应的曲轴转角均减小。原因是，影响缸内混合气燃烧速率的主要因素是燃空当量比和掺氢比，当燃空当量比小于0.83时，掺氢比对混合气的燃烧速率影响更大。

图2 掺氢比对稀薄燃烧缸内燃烧压力及曲轴转角的影响

不同掺氢比对甲醇发动机缸内燃烧放热率峰值及其对应的曲轴转角如图3所示。由图3a可知，放热率峰值随掺氢比增大而升高。不同掺氢比下的放热率峰值，随燃空当量比的增大而升高，当燃空当量比为1.0，掺氢比为0%、3%、6%时，对应的放热率峰值分别为120.6 J/°CA、162.2 J/°CA及171.3 J/°CA。分析原因，氢气本身具有助燃特性，掺氢能够提高缸内混合气燃烧速率，且掺氢比越大对缸内混合气燃烧速率的提升越明显［11-14］。

由图3b可知，放热率峰值对应曲轴转角随掺氢比增大而减小，且不同掺氢比下放热率峰值对应曲轴转角随燃空当量比增大而减小，所以掺氢能够提高缸内混合气的燃烧速率。

图3 掺氢比对稀薄燃烧下放热率峰值及曲轴转角影响

不同掺氢比对甲醇发动机燃烧相位CA10、CA50和CA10-90的影响如图4所示。由图4a可知，增大掺氢比可以有效缩短CA10。当掺氢比为0%时，随着燃空当量比增大CA10具有先减小后增大的趋势，当掺氢比为3%及6%时随着燃空当量比增大CA10均减小。

分析其原因，CA10［15］表示缸内混合气燃烧放热量达到最大放热量的10%，也就是火焰核心形成时期即“滞燃期”。氢气具有点火能量低和燃烧速度快的特性，使其能助燃，因此，在稀薄燃烧下提高掺氢比能有效缩短CA10，且随着燃空当量比增大而减小。当掺氢比为0%时，影响CA10的主要因素是燃空当量比和缸内混合气温度，当燃空当量比小于0.825时，燃空当量比对CA10影响起主要作用，所以，燃空当量比增大而CA10减小；当燃空当量比大于0.825时，向缸内喷射的甲醇量较大，由于甲醇汽化潜热大，需要吸收大量的热量，会使缸内混合气温度大幅降低，此时缸内的混合气温度对CA10的影响起主要作用，导致CA10增大。

由图4b可知，增大掺氢比可以有效缩短CA50，当掺氢比由0%增大到3%时，CA50由37.9 °CA/ATDC减小到21.1 °CA/ATDC，当掺氢比继续增大到6%时，CA50减小到19.9 °CA/ATDC，且不同掺氢比下CA50均随燃空当量比增大而减小。分析其原因，CA50表示缸内混合气燃烧放热量达到最大放热量的50%即“燃烧重心”，因氢气本身的助燃特性，增加掺氢比，可以有效提高混合气燃烧速率，进而减小CA50值。但是当掺氢比超过3%时，继续增大掺氢比对缸内混合气燃烧速率的提升很小，主要原因是，氢气的理论空燃比为34.35远大于甲醇的理论空燃比6.45，提高掺氢比虽然有助于提高缸内混合气燃烧速率，但同时也会导致甲醇的喷射量减少，会导致缸内混合气中甲醇含量减小，因此，过大的掺氢比对缸内混合气燃烧速率的提升并不明显。

由图4c可知，当燃空当量比为0.625时，掺氢比由0%增大到3%时CA10-90（燃烧持续期）从19.2 °CA减小到12.3 °CA，掺氢比继续增大到6%时CA10-90减小到11.5 °CA；不同掺氢比下增大燃空当量比能减小CA10-90，且当燃空当量比小于0.71效果最为显著。分析其原因，CA10-90表示缸内混合气的燃烧持续期，当燃空当量比为0.625时，掺氢比从0%增大到3%，由于氢气本身的助然特性，能够有效缩短CA10-90值。但当进一步增大掺氢比到6%，由于氢气的理论空燃比为34.35，远大于甲醇的理论空燃比6.45，提高掺氢比会导致甲醇量减小，因此，在氢气的助燃作用和缸内甲醇量减小的综合作用下，导致缸内混合气较为稀薄，使CA10-90值仅略微减小。

图4 掺氢比对稀薄燃烧下燃烧性能影响

不同掺氢比下缸内燃烧循环变动如图5所示。由图5可知，当燃空当量比为0.625时，掺氢比从0%增大到3%，燃烧循环变动COVimep从3.8减小到1.45；当掺氢比继续增大到6%时，COVimep增大到1.6；当掺氢比小于3%时，COVimep随着燃空当量比增大而减小；当掺氢比为6%且燃空当量比为0.71时，COVimep最小。

图5 掺氢比对稀薄燃烧下燃烧循环变动影响

分析其原因，当掺氢比小于3%时，增大掺氢比有助于提高缸内混合气的燃烧速率，增强燃烧稳定性，使COVimep减小。当掺氢比增大到6%时，因掺氢比增大会使甲醇的喷射量减小，从而导致缸内甲醇混合气偏稀，不利于燃烧稳定性；当燃空当量比小于0.71时，氢气助燃性对COVimep起主导作用；当燃空当量比大于0.71，因甲醇喷射量增大，甲醇蒸发吸收大量热量，导致缸内混合气温度偏低不利于燃烧稳定性，使COVimep增大。

不同掺氢比下排气温度如图6所示，由图6可知，当燃空当量比为0.625时，掺氢比为0%、3%、6%时，排气温度分别为577 K、558 K、540 K；且随着燃空当量比增大，不同掺氢比下的排气温度均增大，且都有掺氢比越大排气温度越低的趋势。分析其原因，由图3可知，增大掺氢比能够增大放热率峰值，且放热率峰值对应曲轴转角减小，能提高燃烧定容性，从而降低排气温度。

图6 掺氢比对稀薄燃烧下排气温度影响

2.2 不同掺氢比下对稀薄燃烧排放影响

不同掺氢比对稀薄燃烧下的碳氢化合物（Hydrocarbon Compounds，HC）、一氧化碳（Carbon Monoxide，CO）、氮氧化合物（Nitrogen Oxides，NOx）的排放情况如图7所示，由图7a可知，当掺氢比为0%时，燃空当量比由0.625增大到1.0时，HC排放由0.93 g/kWh增大到1.9 g/kWh；当掺氢比为3%时，HC排放量在燃空当量比为0.71时达到峰值3.55 g/kWh；当掺氢比为6%时， HC排放量在燃空当量比为0.83时达到最小值1.62 g/kWh。

图7 掺氢比对稀薄燃烧下的排放影响

分析其原因，HC生成的主要条件是低温缺氧，因此，当掺氢比为0%时，随着燃空当量比增大，缸内混合气浓度增大，HC排放量增大；当掺氢比为3%时，掺氢有利于提高燃烧稳定性和减小HC排放；同时燃空当量比增大又不利于减小HC排放，在燃空当量比小于0.71时，燃空当量比对HC排放起主要作用，所以，HC排放量随燃空当量比增大而升高；当燃空当量比大于0.71时，掺氢比对改善燃烧、减小HC排放量起主要作用，所以，HC排放量随燃空当量比增大而降低。

由图7b可知，当燃空当量比为0.625时，增大掺氢比能减小CO排放，且掺氢比为0%、3%、6%时，CO排放量分别为4.07 g/kWh、3.58 g/kWh、2.85 g/kWh。且随着燃空当量比增大，不同掺氢比下CO排放量均具有增大的趋势；当燃空当量比大于0.83时，掺氢比为3%和6%时，CO排放量随燃空当量比增大显著升高。

分析其原因，CO的生成条件是低温缺氧。当燃空当量比小于0.83时，掺氢能改善燃烧，提高缸内燃烧温度，所以能降低CO排放量；随着燃空当量比进一步增大，由图5可知，当掺氢比为3%时，缸内燃烧循环变动较大，尤其是当掺氢比为6%时，缸内燃烧循环变动进一步增大，缸内混合气燃烧不稳定，加之燃空当量比增大，向气缸内喷射的甲醇的量增多，使CO排放量升高。

由图7c可知，当燃空当量比为0.625时，NOx排放量随掺氢比增大而增大，掺氢比为0%、3%、6%时，NOx排放量分别为0.76 g/kWh、3.65 g/kWh、5.75 g/kWh。且随着燃空当量比增大，不同掺氢比下NOx排放量均增大；当燃空当量比为1.0时，0%、3%、6%掺氢比下的NOx排放量分别为12.15 g/kWh、10.8 g/kWh、11.24 g/kWh。

分析其原因，NOx生成的原因是高温富氧［16］，当燃空当量比为0.625时，由图3和图6可知，增大掺氢比，由于着火提前，放热峰值更高，缸内燃烧温度提高，所以NOx排放量增大；随着燃空当量比增大，缸内燃烧速率进一步提高，燃烧温度升高，使NOx排放量随燃空当量比增大而升高。