進氣摻氫與富氧燃燒對汽油機性能影響的試驗研究

劉利梁， 張虎， 張玉銀， 張偉

(1. 上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 上?？臻g電源研究所， 上海 200245)

進氣摻氫與富氧燃燒對汽油機性能影響的試驗研究

劉利梁1， 張虎1， 張玉銀1， 張偉2

(1. 上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 上海空間電源研究所， 上海 200245)

在JL3G10汽油機的基礎(chǔ)上，搭建了發(fā)動機臺架以進行摻氫富氧條件下的臺架試驗。利用該臺架分別對不同進氣含氧量(體積比)，不同進氣摻氫比以及富氧摻氫時汽油機的動力性與排放進行了試驗研究。研究表明：相比原機，進氣含氧量為25%時汽油機功率與扭矩提高了20.7%， HC排放減少36%，CO排放減少10.6%，但NOx排放增加了149.6%；2%進氣摻氫比下的HC排放相比原機降低31.2%，CO排放降低46.1%，NOx排放則增加12.6%；富氧摻氫(氫氧體積比為2∶1)時，摻混比例為5.06%的汽油機較原機在動力性與排放上均有提升。

汽油機； 臺架試驗； 進氣； 富氧； 摻氫

隨著能源與環(huán)境危機的逐漸加重，汽車工業(yè)對內(nèi)燃機節(jié)能環(huán)保的要求不斷提高。在當(dāng)前技術(shù)背景下，為實現(xiàn)內(nèi)燃機節(jié)能減排的目標(biāo)，改善傳統(tǒng)內(nèi)燃機的燃燒方式[1-3]越來越受到業(yè)界關(guān)注。

在改善內(nèi)燃機燃燒方式上，目前國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)動機進氣摻氫、富氧燃燒、增壓技術(shù)、EGR技術(shù)等進行了相應(yīng)的研究。紀(jì)常偉、汪碩峰[4-5]等對進氣摻氫對汽油機燃燒與排放特性的影響進行了試驗研究。試驗表明，適當(dāng)?shù)膿綒浔饶軠p小缸內(nèi)壓力的循環(huán)變動，但隨著摻氫比的增加，發(fā)動機NOx與CO排放增加。姜偉[6]、劉陽[7]等從發(fā)動機建模與試驗出發(fā)，對帶EGR的發(fā)動機富氧燃燒特性進行了研究，研究表明，富氧燃燒能提升發(fā)動機動力，減少HC和CO排放，但會增加NOx排放；EGR能在一定程度改善富氧燃燒缺陷，但會惡化HC和CO排放以及發(fā)動機的動力性。加拿大溫莎大學(xué)的T. D. Andrea[8]等對進氣摻氫比對汽油機燃燒持續(xù)期、循環(huán)波動、排放等的影響進行了試驗研究。研究表明，通過進氣摻氫，可減少燃燒持續(xù)期與循環(huán)波動量，且摻氫比越高，效果越好。

基于當(dāng)前內(nèi)燃機燃燒方式改善的研究現(xiàn)狀與內(nèi)燃機的工作特點，本研究從試驗角度出發(fā)，利用JL3G10汽油機，研究了富氧燃燒、單獨進氣摻氫與同時摻混氫氧氣對汽油機動力性與排放的影響，對汽油機進氣摻氫與富氧燃燒的工程應(yīng)用具有一定的意義。

1 發(fā)動機試驗臺架搭建與試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗發(fā)動機為JL3G10汽油機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 汽油機主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)汽油機臺架試驗要求與目標(biāo)，試驗設(shè)備主要有汽油機電控系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備、試驗參數(shù)測量設(shè)備、試驗條件控制設(shè)備與臺架測功機系統(tǒng)。

1) 汽油機電控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備

汽油機電控單元采用基于MotoTron平臺開發(fā)的快速原型控制器，臺架上位機采用MotoTune軟件對試驗發(fā)動機的參數(shù)進行標(biāo)定與測量。

此外，為更好地對發(fā)動機進氣、噴油、點火進行控制，還使用了進氣溫度與進氣壓力傳感器、氧傳感器、空燃比儀等設(shè)備。

2) 試驗參數(shù)測量設(shè)備

試驗參數(shù)主要是汽油機動力性與排放參數(shù)，采用Alicat氣體質(zhì)量流量計、Kistler缸壓傳感器與光電編碼器、HFM7型空氣流量計、A&D燃燒分析儀以及FGA-4100汽車排氣分析儀等設(shè)備進行測量。其中光電編碼器的測量精度為0.5°，HFM7空氣流量計測量的相對精度為±5%，F(xiàn)GA-4100尾氣分析儀則能有效測量尾氣中HC，CO，CO2，O2和NOx的含量。

3) 試驗條件控制設(shè)備

為使汽油機工作在某個特定條件下，采用發(fā)動機冷卻水恒溫系統(tǒng)、機油恒溫系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)等設(shè)備對試驗條件進行控制。

4) 臺架測功機系統(tǒng)

采用CW160電渦流測功機，該測功機最高轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，標(biāo)定扭矩為500 N·m，扭矩測量精度為±0.4% FS，轉(zhuǎn)速測量精度為±1 r/min。與測功機配套的是測功機控制與數(shù)采系統(tǒng)，能對測功機實行有效控制并采集相關(guān)參數(shù)。

1.2 試驗臺架搭建

搭建的試驗臺架系統(tǒng)見圖1。在臺架搭建時，需對發(fā)動機進氣系統(tǒng)進行改裝。具體為在節(jié)氣門前的進氣總管上安裝空氣流量計，并補充一段進氣總管以使氫氣、氧氣能引入發(fā)動機氣缸中。上位機中的MotoTune軟件通過USB-CAN設(shè)備與發(fā)動機電控單元進行通信，以對發(fā)動機的控制參數(shù)進行標(biāo)定，并實時測量關(guān)鍵工作參數(shù)。氫氣與氧氣來源于外接的氫瓶與氧瓶，其流量由進氣管路中的氣體質(zhì)量流量計與空氣流量計計算。臺架其余部分與傳統(tǒng)發(fā)動機臺架類似。

圖1 進氣摻氫與富氧燃燒的發(fā)動機試驗臺架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 試驗方案

由內(nèi)燃機原理可知，汽油機性能與進氣溫度等工作條件有關(guān)，試驗時應(yīng)控制這些條件使其維持穩(wěn)定。此外，試驗過程中汽油機轉(zhuǎn)速、進氣歧管壓力維持不變，并采用產(chǎn)生最大扭矩時的點火提前角與理論空燃比以使三元催化器工作在最佳狀態(tài)，表2列出試驗時汽油機的工作條件。

表2 汽油機臺架試驗的試驗條件

在表2的試驗條件下，分別進行汽油機的富氧燃燒、進氣摻氫與同時摻混氫氧氣(氫氧體積比為2∶1，用HHO表示)的臺架試驗。分別定義進氣含氧量α(O2)、加氧比α′(O2)、摻氫比β(H2)與摻HHO比γ(HHO)。

式中：qv(O2)為進氣氧氣體積流量；qv(H2)為進氣氫氣體積流量；qv(air)為進氣空氣體積流量。

綜合分析上式之間的關(guān)系，并考慮到氫氣的爆炸極限(4.1%～74.2%)，確定試驗時進氣氫氧的摻混比例(見表3)。

表3 試驗時進氣氫氧摻混比例

2 臺架試驗與結(jié)果分析

2.1 原機臺架試驗

汽油機原機試驗的目標(biāo)主要有兩個： 1)通過原機試驗來測試汽油機以及臺架的工作狀態(tài)； 2)為富氧燃燒與進氣摻氫對汽油機性能影響的研究提供基準(zhǔn)。

在進行原機試驗時，上位機部分控制汽油機起動、參數(shù)測量與標(biāo)定，冷卻水恒溫與機油恒溫系統(tǒng)分別將汽油機冷卻水溫度、機油溫度控制在目標(biāo)值?？杖急葍x控制汽油機空燃比為理論空燃比，電渦流測功機對汽油機轉(zhuǎn)速實施閉環(huán)控制以使轉(zhuǎn)速維持在1 400 r/min，由圖2可知這兩參數(shù)實際控制效果較為理想。測量了汽油機的排放、功率、扭矩等參數(shù)，結(jié)果見表4。

圖2 汽油機實際轉(zhuǎn)速與空燃比

扭矩/N·m32．4功率/kW4．75噴油脈寬/ms5．57HC體積分?jǐn)?shù)/10-6242CO體積分?jǐn)?shù)/%1．20NOx體積分?jǐn)?shù)/10-61850

2.2 富氧燃燒對汽油機性能的影響

利用氣體質(zhì)量流量計控制汽油機進氣中含氧量分別為21%，23%，25%，對應(yīng)加氧比α′(O2)為0%，2.53%，5.06%，進行富氧燃燒試驗并采集相關(guān)參數(shù)(見圖3至圖5)。

由圖3中汽油機平均指示壓力(pi)與噴油脈寬的試驗結(jié)果可知，汽油機平均指示壓力與噴油脈寬隨進氣含氧量的增加而增加，23%和25%的進氣含氧量下，汽油機平均指示壓力相對原機分別提高了3.2%與10.7%，噴油脈寬則分別增加了9.6%與18.6%。這是因為隨著進氣含氧量增加，缸內(nèi)燃料燃燒速度加快，放熱速率明顯加快，極大促進了缸內(nèi)燃料的充分燃燒，再加上進氣壓力維持不變，進氣中氧氣含量不斷增加，并且汽油機實際空燃比始終維持在理論值附近，這也意味著噴油脈寬需增加，這樣缸內(nèi)也就有更多燃料燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣燃燒總能量將顯著提高，平均指示壓力也得到提高。

圖3 pi與噴油脈寬隨進氣含氧量的變化

圖4表明，富氧燃燒時汽油機功率相比原機有顯著提升，進氣含氧量為25%時提高了20.7%。這可從汽油機動力性與平均缸壓存在正相關(guān)性來理解。此外，從圖4可看出，兩參數(shù)的增長幅度逐漸趨緩。這是因為隨著含氧量增加，缸內(nèi)混合氣得到充分燃燒，燃燒總能量得到提升，促使缸內(nèi)溫度上升顯著，這將顯著增加汽油機排氣與傳熱損失，導(dǎo)致能量損失占燃料總能量的比重增大，汽油機輸出有用功的增加幅度將減小。因此，富氧燃燒時，應(yīng)采用其他技術(shù)，如優(yōu)化點火提前角等，來改善汽油機熱效率。此外，需說明的是部分負荷下富氧燃燒時，為保證動力輸出一定，汽油機的節(jié)氣門將減小，此時泵氣損失將增加。

圖4 汽油機動力性與進氣含氧量的關(guān)系

汽油機富氧燃燒還能顯著降低HC和CO排放，但會大大增加NOx排放(見圖5)。25%含氧量時的HC排放相比原機降低了36%，CO排放降低了10.6%，而NOx排放增加了149.6%。這是因為隨著含氧量增加，缸內(nèi)混合氣燃燒更加充分，未燃HC減少，且含氧量的增加也促使更多的CO轉(zhuǎn)化成CO2，導(dǎo)致CO排放降低。而NOx排放主要受缸內(nèi)氧氣濃度與溫度所影響，富氧燃燒時，缸內(nèi)溫度上升明顯，加上氧濃度也有所提高，這些都促進NOx的生成。

圖5 汽油機排放與進氣含氧量的關(guān)系

2.3 單獨進氣摻氫對汽油機性能的影響

單獨進氣摻氫試驗時，用氣體質(zhì)量流量計控制摻氫比為1%，2%，待汽油機工作穩(wěn)定后，采集相關(guān)試驗參數(shù)，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6中，汽油機平均指示壓力與噴油脈寬隨摻氫比的增加均有所下降。與原機相比，2%的摻氫比下，平均指示壓力下降1.1%，噴油脈寬下降6.1%。這是因為試驗時汽油機空燃比始終維持在理論空燃比附近，且進氣壓力不變，當(dāng)摻氫比增加時，噴油脈寬將減小，每循環(huán)進入氣缸的燃油減少，加上氫氣是一種氣體燃料，其體積熱值較低，導(dǎo)致在同一進氣壓力下，缸內(nèi)燃料總能量有所下降，所以平均指示壓力略有下降。由此可知，相同進氣壓力與空燃比下，進氣摻氫時汽油機的做功能力會有所下降。

圖6 平均指示壓力與噴油脈寬隨摻氫比的變化

圖7 汽油機排放與進氣摻氫的關(guān)系

圖7中進氣摻氫時汽油機的排放試驗結(jié)果表明，2%摻氫比的汽油機相對于原機，HC排放減少了31.2%， CO排放減少了46.1%，NOx排放則增加了12.6%。HC排放減少主要是氫氣作為氣體燃料，不需經(jīng)霧化就能與空氣快速混合形成混合氣，并且氫氣燃燒擴散速度比汽油快，火焰?zhèn)鞑タ?，有利于摻氫燃料快速充分地燃燒；氫氣的淬熄距離比汽油的短，摻氫后的缸內(nèi)混合氣火焰能更接近缸壁，減少了由于罅隙效應(yīng)導(dǎo)致的未燃HC排放。此外，摻氫后，噴油脈寬減小，進入氣缸內(nèi)的燃油減少，而氫氣是一種不含碳的燃料，這也在一定程度上導(dǎo)致理論空燃比下?lián)綒浒l(fā)動機HC排放的降低。CO排放降低的原因與HC類似。此外，CO排放降低幅度隨摻氫比的增大而趨緩，甚至有增加的趨勢，這是由于摻氫后混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，可能?dǎo)致缸內(nèi)局部出現(xiàn)貧氧區(qū)，加上摻氫后燃燒速度加快，后燃現(xiàn)象不明顯，燃燒后期CO轉(zhuǎn)化成CO2的速度變慢。摻氫后，在同一空燃比同一進氣壓力下，缸內(nèi)氧氣濃度與原機基本相同，但NOx排放仍有小幅增加，這主要是由于氫氣火焰溫度高，摻氫后缸內(nèi)溫度升高明顯，導(dǎo)致熱力型NOx排放增加，所以汽油機摻氫時，應(yīng)控制好摻氫比，盡可能改善NOx排放。

2.4 摻HHO對汽油機性能的影響

HHO試驗時，根據(jù)γ(HHO)與空氣流量計采集的進氣量確定需充入HHO的體積流量，并利用氣體質(zhì)量流量計使充入汽油機的氫氣、氧氣的體積比為2∶1。當(dāng)汽油機運行穩(wěn)定后，采集試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖8。

在圖8中，同一工況下，當(dāng)γ(HHO)為5.06%時，由于缸內(nèi)燃燒質(zhì)量得到改善，燃料充分燃燒，平均指示壓力升高，較原機提高了6.43%。此外，摻HHO時，缸內(nèi)存在一定程度的富氧量，此時缸內(nèi)噴油量與原機相比增加了4.82%。由于平均指示壓力與汽油機做功能力存在正相關(guān)性，因此，部分負荷下，富氧燃燒與摻HHO均有益于提高汽油機的動力性，且在動力輸出一定時摻HHO，可減小汽油機泵氣損失。在排放方面，當(dāng)γ(HHO)為5.06%時，HC和CO排放較原機分別降低了29.4%和34.9%，而NOx排放增加了41.9%。與富氧燃燒與單獨進氣摻氫相比，摻HHO時的HC和CO排放量的降低效果與單獨進氣摻氫時接近。而摻HHO時的NOx排放介于進氣摻氫與富氧燃燒兩者之間，但明顯優(yōu)于富氧燃燒。

圖8 汽油機摻HHO的臺架試驗結(jié)果

3 結(jié)論

a) 同一工況同一空燃比時，富氧燃燒的汽油機相比原機動力性具有顯著提升，且比單獨摻氫與摻HHO時的提升幅度都大；富氧燃燒能降低HC，CO排放，但卻顯著增加了NOx排放；

b) 試驗條件相同時，單獨摻氫后，汽油機的做功能力較原機略有下降，但HC，CO排放減少明顯，NOx排放雖有所上升，但要好于富氧燃燒與摻HHO時的NOx排放；

c) 摻HHO時，汽油機的動力性有所提升，但小于富氧燃燒時的提升幅度，摻HHO時HC和CO排放的降低效果與單獨摻氫接近，NOx排放雖也有增加，但明顯小于富氧燃燒時的NOx的增加量，因此，汽油機摻HHO，能獲得一個較佳的綜合性能，比較適合應(yīng)用在內(nèi)汽油機燃燒方式改善的工程實踐中去。

[1] 汪碩峰,紀(jì)常偉,閆皓,等.混氫體積分?jǐn)?shù)對汽油機性能影響的試驗研究[J]．內(nèi)燃機工程,2011,32(1):43-48.

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[編輯： 袁曉燕]

Effect of Intake Hydrogen-mixed and Oxygen-enriched Combustion on Performance of Gasoline Engine

LIU Liliang1, ZHANG Hu1, ZHANG Yuyin1, ZHANG Wei2

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Institute of Space Power Sources, Shanghai 200245, China)

Based on JL3G10 gasoline engine, the test bench was built to test the performance of hydrogen-mixed and oxygen- enriched intake. Then the power and emission of gasoline engine were researched when the intake was mixed with different fractions of oxygen, hydrogen and both of them. The experimental results showed that engine power and torque increased by 20.7%, HC emission reduced by 36%, CO emission reduced by 10.6%，but NOxemission increased by 149.6% when the oxygen volume fraction was 25%. HC emission and CO emission reduced by 31.2% and 46.1% respectively and NOxemission increased by 12.6% when the hydrogen volume fraction increased to 2%. The power and emission of gasoline engine hadimproved when the volume fraction of hydrogen and oxygen mixture increased to 5.06%.

gasoline engine; bench test; intake; oxygen-enriched; hydrogen-mixed

2016-07-18；

2016-12-26

上海航天技術(shù)研究院—上海交大航天先進技術(shù)聯(lián)合研究中心資助項目(USCAST2013-32)

劉利梁(1991—)，男，碩士，主要研究方向為汽車動力系統(tǒng)與電控技術(shù)；lll20090207@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.013

TK421.71

B

1001-2222(2017)01-0070-05