進氣預混合H2－O2對柴油機熱效率及排放的影響

張志軍，牛 軍，郝勇剛，王繼新，陳晉兵，王尚學，牛海杰

（中國北方發(fā)動機研究所（天津），天津 300400）

迫于日漸嚴格的排放限制和石油燃料匱乏的壓力，國際上廣泛開展內燃機替代燃料的尋求及應用研究。H2以其高效潔凈和資源永久再生等優(yōu)點被認為是后石油時代最有潛力的內燃機燃料［1］。

氫燃料具有燃燒速度快、著火界限寬和質量放熱率高的特性，在柴油機進氣中摻混一定比例的H2，利用柴油壓燃所形成的多個著火中心快速引燃進入燃燒室內的H2預混合氣，從而在柴油機上實現(xiàn)稀薄預混合H2的燃燒，可以改善缸內的燃燒過程，提高柴油機的熱效率［2－3］，也為燃燒過程控制提供了很大的靈活性［4］。國內外大多數(shù)對氫燃料的研究聚焦于在進氣中加入純氫氣對柴油機燃燒過程的影響。但是，當從進氣道向氣缸內引入氫氣時，柴油機實際空氣進氣量減少，混氫柴油機當量空燃比減小，缸內燃燒溫度急劇增高，NOx排放變得更加嚴重；再者，氫內燃機的回火、早燃和爆震等不正常燃燒現(xiàn)象難以在面工況得以控制；另外，H2的制備成本高、車載儲存系統(tǒng)復雜及安全管理等瓶頸技術并沒有完全解決［1］。上述問題在一定程度上制約了H2在內燃機上的研究應用和氫燃料汽車的商業(yè)化進程。因此，要實現(xiàn)較為經濟的推廣應用價值，需要從H2制備方法、進氣混合氣模式、燃燒過程控制等方面尋找新的技術措施和手段。

為克服上述在柴油機進氣中摻入純H2帶來的不利影響，筆者采用以H2－O2混合氣的形式進入氣缸的摻混模式，研究進氣摻氫對柴油機性能及排放的影響。利用1臺小型車載式制氫裝置電解水制取H2和O2，以H2－O2混合氣的形式通入柴油機進氣管。該進氣混合氣模式彌補了純H2占據進氣道空間使得實際進氣量減少和因H2燃燒需要額外增加的O2消耗量，而不會降低柴油機的充氣效率和過量空氣系數(shù)，同時也簡化了H2的存儲及供氣系統(tǒng)。上述車載制氫裝置的應用及進氣預混合H2－O2的模式有望保持柴油機功率不變而提高原柴油機的燃燒效率，同時改善排放特性，為H2在內燃機上的應用及柴油機燃燒過程的控制提供了一條新的技術途徑。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗發(fā)動機為HC4132直列4缸、四沖程、增壓中冷、直噴式柴油機，其主要技術參數(shù)見表1。

表1 HC4132柴油機主要技術參數(shù)

制氫裝置為Epoch EP－500車載式電解水 H2發(fā)生器，設備供電電源為24V直流電源，純凈水要求雜質質量分數(shù)不大于1×10－6。

試驗系統(tǒng)見圖1。為簡化試驗連接，制氫裝置由外部電源供電（在車上可以由蓄電池供電），電解水產生的H2和O2不經過存儲直接通過2根單獨的管路流經除濕器和流量計引入到壓氣機前的進氣總管，考慮試驗的安全性，H2－O2混合氣流量設定為6.9L／min。

1.2 試驗方法

在HC4132柴油機上進行進氣預混合H2－O2和不摻混附加燃料時的外特性及負荷特性對比試驗。負荷特性試驗時，為保證發(fā)動機預混合H2－O2前后在相同狀態(tài)下進行對比，同一運行工況需要控制中冷后進氣溫度、柴油溫度、回水溫度等發(fā)動機運行參數(shù)保持基本一致，各工況點運轉時間不少于5min。測試過程中記錄柴油機轉速、扭矩、燃料消耗量、排氣溫度、缸內燃燒壓力、排放數(shù)據、H2－O2混合氣流量以及其他常規(guī)測量參數(shù)。

1.3 H2與柴油特性對比

H2與柴油相比，燃燒速度快、熱值高，更適合稀薄燃燒。H2與柴油特性的對比（25℃，0.1 MPa）見表2［5］。

表2 H2與柴油特性對比

2 試驗結果與分析

2.1 動力性

柴油機進氣中預混合H2－O2后外特性點扭矩均有提升，圖2示出了外特性點各轉速扭矩的變化，1 500r／min 時 扭 矩 從 945.3N·m 增 加 到986.7N·m，增幅為4.2%。這是由于柴油－氫氣混合燃料比柴油更易于著火和燃燒的緣故；同時，預混合H2－O2后進氣中O2的濃度大于加氫前的O2濃度，促進了燃燒。

2.2 經濟性

進氣中預混H2－O2后，利用柴油壓燃所形成的多個著火中心引燃燃燒室內的稀薄氫預混合氣，氫氣火焰的快速傳播又促進了缸內燃料混合、柴油擴散燃燒的火焰面前進速度以及火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，從而使燃料燃燒更加充分，提高了燃燒效率。

Epoch EP－500電解水制氫裝置產生6.9L／min的 H2－O2混合氣，功耗約為0.3kW。

圖3示出了安裝制氫裝置后整個系統(tǒng)較燃用柴油時在不同轉速不同負荷下有效熱效率的變化。在1100r／min，25%負荷時熱效率提高最大，從24.28%提高到25.24%，增幅為3.81%。

燃料消耗率表征了柴油機的熱效率。圖4用柴油節(jié)油率和綜合節(jié)油率來表示進氣預混合H2－O2后柴油機的經濟性變化。綜合燃料消耗率表示為

式中：b為綜合燃料消耗率；bD為柴油消耗率；bH2為H2消耗率；HuH2為氫氣的低熱值；HuD為柴油的低熱值。

通過比較柴油節(jié)油率曲線和綜合節(jié)油率曲線可知，在低負荷區(qū)節(jié)油率較高，在1 000r／min，25%負荷時柴油節(jié)油率為5.27%，綜合節(jié)油率為3.81%。隨著負荷的增加節(jié)油率呈下降趨勢，這是由于進入進氣管內的H2－O2混合氣氣量是固定的，柴油消耗量的增量大于負荷的增量。

2.3 空燃比的變化

H2－O2混合氣被引入到進氣管中代替了部分進氣空氣，由于H2－O2混合氣中O2體積分數(shù)是空氣中O2體積分數(shù)的1.67倍，這就增加了進氣中O2的含量，促進了柴油的初期燃燒，也導致了如前所述的熱效率的提高和燃油消耗率的降低。當量空燃比可以表示為

式中：Gair為空氣質量流量；ρH2－O2為混合氣密度；ρair為空氣密度；VH2－02為混合氣體積流量；Gf為柴油質量流量。

圖5示出了 HC4132柴油機1 100r／min和1 500r／min不同負荷下進氣預混合 H2－O2后當量空燃比的變化?？梢钥闯?，空燃比較燃用柴油時均有不同程度的增加，空燃比增量隨發(fā)動機轉速的增加而降低，隨負荷的增加而降低，1 100r／min時當量空燃比最大增加4.47%。

2.4 排放特性分析

柴油機排放物主要有CO，CO2、未燃HC化合物、NOx及PM等，其中NOx及PM是最主要的排放污染物［6］。通過試驗對比分析柴油機進氣預混合H2－O2后，由于H2－O2對柴油燃燒過程中的協(xié)同作用引起的排放變化。

進氣預混合H2－O2對各種排放物的影響用貢獻率來表示：

2.4.1 對外特性排放物的影響

圖6示出了進氣預混合H2－O2對外特性工況排放的影響。由圖可知：在外特性各工況點，進氣預混合H2－O2對炭煙排放貢獻率較大，最大降幅為25.71%；HC排放最大降幅為16.79%；CO排放最大降幅為11.64%；NOx排放有所增加，最大增幅為7.03%。

2.4.2 對負荷特性排放物的影響

從進氣管通入6.9L／min的 H2－O2混合氣，調節(jié)油門保持預混合H2－O2前后發(fā)動機輸出扭矩不變，考查發(fā)動機1 100r／min時預混合 H2－O2對發(fā)動機排放的影響。

2.4.2.1 HC排放

圖7示出了1 100r／min時進氣預混合 H2－O2對HC排放的影響及變化規(guī)律。由圖可知，在整個負荷特性下的HC排放量均有不同程度地降低，最大降幅為10.81%。這一方面是由于H2本身燃燒后不產生HC；另一方面，當柴油中摻入H2－O2后，預混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤紵掷m(xù)期變短，氧化更加充分；再加上缸內燃燒溫度的提高促進了未燃HC的氧化，從而進一步降低了HC排放量。

2.4.2.2 CO排放

圖8示出了1 100r／min時進氣預混合 H2－O2對CO排放的影響及變化規(guī)律。由圖可知，在小負荷時CO排放量增加，大負荷時CO排放量降低，最大降幅為3.16%。理論上柴油中摻入少量H2后，CO排放量應呈減小趨勢，一方面H2本身燃燒后不產生CO，另一方面是因為摻燒H2后可以提高火焰的溫度和傳播速度，混合氣中氧濃度的增加共同促使CO進一步氧化。進氣預混合H2－O2后小負荷時CO排放量增加，可能是由于小負荷時過量空氣系數(shù)的進一步增加使得缸內溫度降低，過稀不著火的邊緣區(qū)域形成較多的CO所致。

2.4.2.3 NOx排放

影響NOx生成的因素主要有缸內燃燒溫度、高溫持續(xù)時間和缸內氧的濃度。圖9示出了1 100r／min負荷特性下進氣預混合 H2－O2對 NOx排放的影響及變化規(guī)律。由圖可知，在整個負荷特性下的NOx排放量均有所增加。當引入H2－O2混合氣時，缸內最高溫度及氧濃度增加，盡管柴油與H2的混合實現(xiàn)了稀燃，縮短了高溫持續(xù)時間從而減少了NOx排放，但缸內最高燃燒溫度和氧濃度對NOx生成的影響更大。由于小負荷時O2濃度較大，大負荷時缸內溫度較高，從而導致進氣預混合H2－O2后對NOx貢獻率表現(xiàn)為小負荷和大負荷增加較多，而在中等負荷增加較少。

2.4.2.4 炭煙排放

圖10示出了1 100r／min負荷特性下進氣預混合H2－O2對炭煙排放的影響及變化規(guī)律。由圖可知，引入H2－O2后，波許煙度值在各負荷下均有所降低，大負荷時這種抑制效果愈加明顯，最大降幅為28.33%。相同工況時，引入H2－O2混合氣減少了柴油循環(huán)噴油量，從而使炭煙排放降低；同時，H2的燃燒提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，促進了缸內燃燒過程，也加速了缸內炭煙排放的進一步氧化。

3 結論

a）車載制氫裝置的應用及進氣預混合H2－O2的摻燒模式為H2在柴油機上的應用提供了行之有效的技術途徑；

b）柴油機進氣預混合H2－O2在柴油燃燒過程中的協(xié)同作用可以提高柴油機的熱效率并改善排放特性；

c）在面工況范圍內進氣預混合微量H2－O2可以降低柴油機的綜合燃油消耗率，大幅度降低HC排放，但NOx排放有少量增加；

d）H2－O2混合氣與柴油的質量摻燒比在柴油機各工況運行時均有一個最佳值，可以通過全工況的摻燒比MAP標定來提高柴油機綜合性能。

［1］ 王紅民.氫氣在汽車燃油替代能源方面的應用［J］.武漢理工大學學報，2006，28（2）：21－26.

［2］ Bari S，Mohammad Esmaeil M.Effect of H2／O2addition in increasing the thermal efficiency of a diesel engine［J］.Fuel，2010，89：378－383.

［3］ 王 斌.柴油機摻氫關鍵技術機試驗研究［D］.杭州：浙江大學，2008.

［4］ 劉福水，郝利君，Heitz Peter Berg.氫燃料內燃機技術現(xiàn)狀與發(fā)展展望［J］.汽車工程，2006，28（7）：621－625.

［5］ 蔣大海，寧 智.預混合氫氣／柴油發(fā)動機燃燒機排放特性［J］.燃燒科學與技術，2010，16（2）：149－154.

［6］ 李向榮，魏 镕，孫柏剛，等.內燃機燃燒科學與技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2012.