采用高廢氣再循環(huán)稀薄燃燒過程的新型氫發(fā)動機(jī)技術(shù)方案

D.KOCH T.EBERT A.SOUSA

為實(shí)現(xiàn)零排放目標(biāo)，選用氫發(fā)動機(jī)作為重型載貨汽車的動力裝置，以此替代燃料電池裝置和純電驅(qū)動系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了由Keyou公司開發(fā)，并采用了高廢氣再循環(huán)（EGR）稀薄燃燒過程的氫發(fā)動機(jī)。氫燃料;廢氣再循環(huán);稀薄燃燒

0 前言

氣候變化長期影響著人類生存環(huán)境，越來越多的科學(xué)數(shù)據(jù)清晰地證實(shí)了近年來的全球氣候變化。以溫室效應(yīng)為例，該現(xiàn)象主要由CO2排放物所導(dǎo)致，而CO2很大程度上是由柴油、汽油或天然氣等化石燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的。除了CO2之外，研究人員同樣也需要對有害排放物如氮氧化物（NOx）、CO等進(jìn)行控制。目前，各國政府通過設(shè)定一系列法規(guī)政策，已成功地減少了廢氣排放。為了將排放對氣候的影響降至最低程度，歐洲各國已設(shè)定了更為嚴(yán)格的CO2排放限值。以2020年的排放限值為例，該數(shù)值至2025年會加嚴(yán)15%，至2030年則會進(jìn)一步加嚴(yán)30%。

目前，世界各國道路交通的運(yùn)輸能力仍在持續(xù)增長。雖然單位車輛的排放量有所降低，但是整個(gè)交通系統(tǒng)所產(chǎn)生的排放總量卻有所增加[1]，因此要求改變整車驅(qū)動形式或調(diào)整車輛所使用的能源類型。作為用于替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的新能源車型，目前純電動汽車與燃料電池汽車均存在一定技術(shù)問題，并且研究人員尚無法預(yù)測該2類車型何時(shí)能真正實(shí)現(xiàn)市場普及。對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)而言，將燃料逐步從碳基能源過渡至氫能源的技術(shù)受到廣泛關(guān)注。目前，內(nèi)燃機(jī)依然有著較高的技術(shù)成熟度，使其燃用氫能源也有著較好的應(yīng)用前景。Keyou公司為此已開發(fā)了1種全新的技術(shù)方案，將原有的柴油機(jī)改裝成氫發(fā)動機(jī)，從而能符合歐盟法規(guī)，并滿足CO2零排放的技術(shù)要求。

1 技術(shù)方案

研究人員通過技術(shù)調(diào)整，即可將傳統(tǒng)柴油機(jī)改型為清潔的氫發(fā)動機(jī)，并且無須為其配備廢氣后處理系統(tǒng)，即可使整機(jī)排放顯著低于歐6排放法規(guī)的限值要求，從而使柴油機(jī)逐步轉(zhuǎn)型為更具技術(shù)吸引力的動力裝置。當(dāng)其燃用氫燃料時(shí)，能顯著降低交通運(yùn)輸中的CO2排放。

內(nèi)燃機(jī)以氫作為燃料的主要優(yōu)點(diǎn)在于不產(chǎn)生碳排放，因此在空氣與氫的燃燒過程中不會形成CO、碳?xì)浠衔铮℉C）和CO2等排放物。由于空氣中還有氧和氮，因而主要的廢氣排放物為NOx，而通過稀薄燃燒過程能有效減少此類排放物。從圖1可以清楚地看出氫燃燒形成的NOx與過量空氣系數(shù)有關(guān)。考慮到總過量空氣系數(shù)λ>2.0，以及在點(diǎn)火時(shí)刻混合氣的完全均質(zhì)化，從而有效抑制了高溫NOx的形成過程。其原理是燃燒區(qū)域的燃燒溫度有所降低，從而改善了易于形成NOx的高溫環(huán)境條件。

圖1 氫發(fā)動機(jī)外部混合氣形成運(yùn)行時(shí)的NOx和O2濃度及燃燒溫度[2]

稀薄燃燒過程除了可降低NOx排放之外，同時(shí)還具有其他優(yōu)點(diǎn)。通過稀薄燃燒可降低燃燒室中的氣體溫度，而且以化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行燃燒時(shí)的壁面熱損失較小，以此能顯著提高燃燒效率。此外，由于在混合氣中不參與化學(xué)反應(yīng)的氮和氧的占比較高，從而有效降低了可燃混合氣的爆燃敏感度，為此可使整機(jī)在不產(chǎn)生爆燃的情況下逐步提高升功率[3]。

2 試驗(yàn)裝置

第1臺試驗(yàn)裝置是Deutz 7.8 TCD型柴油機(jī)，通過技術(shù)調(diào)整，其可從燃用柴油改為燃用氫燃料（圖2）。發(fā)動機(jī)方案如圖3所示，其中柴油缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)被氫噴射系統(tǒng)所取代。原先用于柴油直接噴射的孔被研究人員調(diào)整為點(diǎn)火系統(tǒng)，并使火花塞布置于燃燒室中央。此外，柴油機(jī)的壓縮比被調(diào)整為12，與傳統(tǒng)汽油機(jī)相近。該機(jī)型所采用的增壓方案也相對較為簡易，其他技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 增壓

在發(fā)動機(jī)燃用氫燃料時(shí)，其特性有利于提高燃燒效率，但是對于增壓系統(tǒng)則較為不利。在λ=1.0的情況下，其能以較快的速度實(shí)現(xiàn)充分燃燒。

快速燃燒會產(chǎn)生較為理想的等容過程，使燃料燃燒產(chǎn)生的熱能可充分轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而有效提高了整機(jī)熱效率，同時(shí)也減少了廢氣中的能量。圖4示出了在發(fā)動機(jī)燃用汽油時(shí)，對分別采用化學(xué)計(jì)量比和稀薄氫燃燒過程之間廢氣中所具有的能量進(jìn)行了比較。與燃用汽油時(shí)的情況相比，由于氫燃料的快速燃燒，廢氣中的能量會降低約25%。如果混合氣得以進(jìn)一步稀釋，在λ=1.6的情況下能量會降低約40%。

由于在低轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，過低的廢氣能量會使扭矩性能變差。在參考文獻(xiàn)[4]中，研究人員對由Keyou公司開發(fā)的Deutz 7.8 TCG H2 型氫發(fā)動機(jī)的各種氫燃燒增壓方案進(jìn)行了模擬研究，并將用于驗(yàn)證模型的簡單增壓測量結(jié)果作為模擬研究的基礎(chǔ)。研究人員在研究過程中選擇了配備有電動壓氣機(jī)的增壓、雙渦輪增壓、調(diào)節(jié)式增壓和可變渦輪截面（VTG）增壓共4種方案，并相應(yīng)優(yōu)化了發(fā)動機(jī)功率，其結(jié)果示于圖5。上述4種方案都在低端扭矩（LET）范圍顯示出了優(yōu)越的性能。盡管所有方案都在整個(gè)轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較為理想的優(yōu)化效果，但在模擬計(jì)算過程中得出的是純理論功率，并未考慮到容許的最大增壓壓力、爆燃敏感性及不正常燃燒現(xiàn)象等諸多因素。

為了對增壓方案進(jìn)行總體研究，研究人員不僅要考慮到潛在功率的提升，而且同樣要考慮到系統(tǒng)復(fù)雜性的提升。電動壓氣機(jī)與48 V汽車電路同樣會使車載設(shè)備變得更為復(fù)雜，而增壓方案通常會作為不利因素來進(jìn)行考慮。

VTG增壓系統(tǒng)可用于氫燃燒過程，為此只需要配備1個(gè)增壓器單元。氫燃料燃燒的另1項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是廢氣溫度較低，且廢氣排放量較少，從而可顯著提升VTG增壓器的穩(wěn)定性和試驗(yàn)壽命。

4 氫噴射和混合氣形成

Keyou公司所開發(fā)的第1代氫發(fā)動機(jī)混合氣形成系統(tǒng)采用了外部混合的方式，利用進(jìn)氣門前的多點(diǎn)順序噴射（MPI）方式，通過氫噴射器將氫燃料噴入燃燒室內(nèi)。為了確保所需的混合氣具有較高品位的能量，研究人員必須選擇1種專門針對該燃燒過程設(shè)計(jì)的增壓方案。其中最重要的問題是由于氫的快速燃燒，從而導(dǎo)致廢氣能量較低。

由于高效燃燒過程的循環(huán)波動較小且排放更低，研究人員應(yīng)盡可能提高處于點(diǎn)火時(shí)刻下的氫-空氣混合氣的均質(zhì)化程度。在現(xiàn)有的情況下，換氣階段及整個(gè)壓縮階段都可用于均質(zhì)化過程，且具有足夠的均質(zhì)化可能性（圖6）。燃燒室外部有利于實(shí)現(xiàn)良好的均質(zhì)化氫噴射過程及由此產(chǎn)生的混合氣形成階段，要求研究人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)更專注于該領(lǐng)域的細(xì)節(jié)問題。

如果將氫作為理想氣體進(jìn)行考慮，其密度明顯低于干燥狀態(tài)下的空氣。在將氫燃料噴入缸內(nèi)的過程中，氫燃料的濃度得以大幅增加，并與新鮮空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用（圖7）， 因此需要專門配備具有較高增壓度的增壓系統(tǒng)。

氫燃料燃燒所需的著火能量較小，且有著較寬的著火濃度范圍，在進(jìn)氣門處于關(guān)閉的情況下往往會面臨著回火的風(fēng)險(xiǎn)，因此原則上應(yīng)在空氣流量明顯增大的情況下進(jìn)行氫燃料的噴射。

5 廢氣再循環(huán)

在目前的柴油機(jī)燃燒條件下，為了滿足排放限值的要求，研究人員應(yīng)進(jìn)一步降低NOx的排放量，為此應(yīng)用廢氣再循環(huán)（EGR）是1種較為有效的方法。雖然僅采用EGR即可起到較好效果，但是為了進(jìn)一步減少NOx的排放量，仍需要與氫燃料的燃燒過程相適應(yīng)[5]。此外，研究人員通過應(yīng)用EGR，可通過對其他參數(shù)的調(diào)節(jié)來改善混合氣成分。同時(shí)，在確保NOx生成量不變的前提下也可調(diào)整混合氣的過量空氣系數(shù)，使燃燒過程更為穩(wěn)定并減小循環(huán)波動，從而進(jìn)一步提高效率。

圖8示出了Deutz 7.8 TCG H2型氫發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速、負(fù)荷（用平均有效壓力pme表示）和燃燒重心位置保持不變的情況下，EGR率和空燃比對NOx形成和發(fā)動機(jī)工作效率的影響。隨著混合氣越來越稀，NOx排放量會相應(yīng)降低。在測量過程中，EGR率增加5%，同時(shí)在保持NOx排放不變的情況下，λ降低了約0.15～020。在保持NOx排放不變的情況下，不采用EGR時(shí)的λ=2.7，EGR率=15%時(shí)的λ=2.2。λ對效率的影響示于圖8，在所示出的一系列測量結(jié)果中，這種影響可使整機(jī)效率在41%左右進(jìn)行波動，隨著EGR率的增大和氫濃度的不斷提升，整機(jī)效率稍有改善。

高壓EGR在氫燃燒過程中不僅對降低NOx和提升整機(jī)效率起到了優(yōu)化效果，而且也有效降低了爆燃敏感性[6]。通過廢氣再循環(huán)使原本不參與燃燒的惰性氣體與可燃混合氣相混合，易燃性降低了。此外，燃燒產(chǎn)物NO阻止了可燃混合氣的自行著火現(xiàn)象。根據(jù)Mally等[7]的研究表明，由于該過程中產(chǎn)生的NO降低了爆燃傾向，并且隨著EGR率的增加逐步緩解了氣缸中高頻的壓力波動，從而降低了爆燃敏感性[8]。

在Deutz 7.8 TCG H2 型氫發(fā)動機(jī)上，研究人員在混合氣處于不同空燃比的情況下，對平均有效壓力為1.2 MPa，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)的爆燃現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)（圖9）。

EGR率對所選擇的3種過量空氣系數(shù)2.1、2.2和2.3的燃燒重心位置（MFB50），以及點(diǎn)火時(shí)刻的影響示于圖9（a）。對于所有的過量空氣系數(shù)而言，較早的燃燒重心位置明顯與EGR率成線性關(guān)系，隨著EGR率的增加，爆燃敏感性逐步降低，因此燃燒重心位置就能逐步移向燃燒初期階段。研究人員研究了λ=2.2時(shí)EGR率的變化，無EGR時(shí)爆燃極限位于125 °CA ATDC。當(dāng)EGR率=6%時(shí)，燃燒重心位置就能提前到11 °CA ATDC。當(dāng)最大EGR率約為15%時(shí)，燃燒重心位置就能提前到8.5 °CA ATDC，這就表明爆燃極限會使燃燒重心位置向燃燒初期方向移動約4 °CA。與此同時(shí)，如果將可燃混合氣的濃度從2.2稀釋到2.3，EGR率會增加約6%，并會對爆燃極限的移動產(chǎn)生同樣的影響。

圖9（b）顯示了針對點(diǎn)火時(shí)刻調(diào)節(jié)的效果。研究人員研究了λ=2.2時(shí)對節(jié)點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況，在整個(gè)EGR率范圍內(nèi)可看到點(diǎn)火角從12.5 °CA BTDC移動到21.5 °CA BTDC。這相當(dāng)于提前了9 °CA，并且點(diǎn)火角的調(diào)整速度快于燃燒重心位置的變化過程。由此可知，隨著EGR率的增加，會出現(xiàn)點(diǎn)火延遲現(xiàn)象，并且隨著EGR率的增加，燃燒速度也會相應(yīng)降低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著EGR率的增加，能有效提升整機(jī)的爆燃極限。對于發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)過程而言，在充分考慮到全負(fù)荷特性曲線的情況下，提高壓縮比可相應(yīng)提高部分負(fù)荷工況下的效率。

6 測試結(jié)果

圖10 示出了研究人員在試驗(yàn)臺架上測得的發(fā)動機(jī)功率數(shù)據(jù)。在上述配置下，研究人員通過技術(shù)調(diào)整，使傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)可燃用氫燃料，并且該機(jī)型在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下的最大功率可達(dá)210 kW，在1 100～2 000 r/min轉(zhuǎn)速下的最大扭矩可達(dá)1 000 N·m（pme=1.6 MPa），而在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上則能以pme>1.7 MPa的數(shù)值穩(wěn)定運(yùn)行。

上文所示的Deutz 7.8 TCG H2 型氫發(fā)動機(jī)的功率可用于長度為12 m的城市客車或總質(zhì)量為18 t的載貨汽車，并可用于替代同功率等級的壓縮天然氣（CNG）發(fā)動機(jī)。

研究人員對Deutz 7.8 TCG H2 型氫發(fā)動機(jī)的有效效率進(jìn)行了充分研究，在后續(xù)的開發(fā)過程中根據(jù)使用情況又進(jìn)一步驗(yàn)證了其燃油耗，通過采用上述燃燒過程，可使發(fā)動機(jī)在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)的效率超過40%，最高效率可達(dá)44.5%，達(dá)到了與常規(guī)柴油機(jī)相近的水平。氫燃料燃燒產(chǎn)生的主要排放物為NOx，這在圖10（c）所示的整個(gè)特性曲線場范圍內(nèi)可以清楚地看到。這些排放指標(biāo)均為原始數(shù)據(jù)，而且在其下游并未設(shè)置附加廢氣后處理裝置，在整個(gè)特性曲線場中NOx排放明顯低于目前歐盟法規(guī)所要求的0.46 g/（kW·h）限值。

綜上所述，根據(jù)試驗(yàn)所示的結(jié)果，發(fā)動機(jī)通過燃用氫燃料可顯著降低整機(jī)排放，從而滿足排放限值要求。

7 結(jié)論和展望

本文所介紹的技術(shù)方案可使常規(guī)柴油機(jī)燃用氫燃料，同時(shí)輔以高壓EGR及合適的增壓方案、優(yōu)化的氫噴射策略、稀薄燃燒過程，以此可在現(xiàn)代商用車上實(shí)現(xiàn)零排放的技術(shù)需求。

本文所介紹的Deutz 7.8 TCG H2 型氫發(fā)動機(jī)由Keyou公司開發(fā)。試驗(yàn)結(jié)果表明，燃用氫燃料的發(fā)動機(jī)的pme至今尚未達(dá)到1.6 MPa。從歐盟法規(guī)限值角度來看，完全可取消常規(guī)的廢氣后處理裝置。

本文所介紹的氫燃燒過程能在整個(gè)特性曲線場內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。研究人員的后續(xù)開發(fā)目標(biāo)是要將Deutz 78 TCG H2 型氫發(fā)動機(jī)集成到試驗(yàn)樣車上，并對其進(jìn)行驗(yàn)證，從而開展更深入的研究。

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