6 000 r/min大負(fù)荷下?lián)綒鋵ζ蜋C(jī)排放性能的影響

樊俊梅

摘 要：嚴(yán)重的環(huán)境污染問題促使研究人員探索更環(huán)保的燃料，一定程度上在汽油機(jī)中摻混氫氣可改善發(fā)動機(jī)的排放性能。本研究采用進(jìn)氣道噴射氫氣、缸內(nèi)直噴汽油的復(fù)合噴射方式，探索了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min下，負(fù)荷率為100%、90%、80%時，摻氫比為0%、5%、10%、15%和20%時對汽油機(jī)排放性能的影響。研究結(jié)果表明，CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體處于較低水平;同一工況下，隨著摻氫比的增加，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小;100%負(fù)荷率和80%負(fù)荷率下，隨著摻氫比的增加，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小，且都大于純汽油機(jī);90%負(fù)荷率下，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于純汽油機(jī)。

關(guān)鍵詞：摻氫比;CO質(zhì)量分?jǐn)?shù);CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù);NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

中圖分類號：TK46+3 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0075-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.017

Effect of Hydrogen on Emission Performance of Gasoline Engine Under 6 000 r/min Heavy Load

FAN Junmei

（AVIC Optoelectronics Technology Co.， Ltd.， Luoyang 471400，China）

Abstract： The serious environmental pollution problem urges researchers to explore more environmentally friendly fuels. To some extent， mixing hydrogen into gasoline engine can improve the emission performance of engine. In this study， the combined injection mode of hydrogen injection into the inlet and direct injection of gasoline into the cylinder is used to study the effects of hydrogen energy fractions of 0%， 5%， 10%， 15% and 20% on the emission of gasoline engine at 6 000 r/min and load rate of 100%， 90% and 80%. The results show that the mass fraction of CO is at a very low level as a whole; under the same working condition， the mass fraction of CO2 decreases gradually with the increase of hydrogen doping ratio; at 100% load rate and 80% load rate， with the increase of hydrogen blending ratio， the mass fraction of no first increases and then decreases， which is greater than that of pure gasoline engine. At 90% load rate， the mass fraction of no is less than that of pure gasoline engine.

Keywords： hydrogen doping ratio; CO mass fraction; CO2 mass fraction; NO mass fraction

0 引言

當(dāng)今社會需向綠色低碳轉(zhuǎn)型，防治排放污染的形勢越發(fā)緊迫[1-2]。在日常生活中，隨著汽車保有量的增加，由汽車尾氣所引發(fā)的環(huán)境污染問題也較為突出，化石燃料使用過程中出現(xiàn)的排放問題已經(jīng)成為人們關(guān)注的環(huán)境問題。

氫氣在點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)上具有良好的應(yīng)用前景，在許多方面優(yōu)于使用傳統(tǒng)燃料的點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)[3-4]。氫氣作為雙燃料之一，應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①較少的循環(huán)變化有利于發(fā)動機(jī)的排放、效率和平穩(wěn)性能;②非常低的最低可燃性極限使氫氣成為稀薄燃燒的理想燃料;③熱力學(xué)和傳熱特性往往會產(chǎn)生較高的壓縮溫度，有助于提高稀混合氣工況下發(fā)動機(jī)效率;④燃料燃燒速度快、點(diǎn)火能量低使其也適用于發(fā)動機(jī)的高速和冷起動工況;⑤氫的無碳化學(xué)物質(zhì)實(shí)質(zhì)及特性為內(nèi)燃機(jī)的清潔高效運(yùn)行提供了優(yōu)良的燃料;⑥高自燃溫度（858 K）使其更適合作為火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的燃料;⑦低點(diǎn)火能量使氫氣成為預(yù)燃的理想燃料[3]。分析國內(nèi)外對摻氫汽油機(jī)的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，研究多集中于稀燃、怠速等中小轉(zhuǎn)速和中小負(fù)荷工況下，摻氫比對氫-汽油發(fā)動機(jī)的性能影響[5-8]。筆者主要研究了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，負(fù)荷率為100%、90%、80%下，在汽油機(jī)內(nèi)摻氫較純汽油機(jī)排放性能的變化。

1 試驗(yàn)方法

本研究以單缸汽油機(jī)為原型進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)汽油機(jī)的技術(shù)參數(shù)使用Solidworks繪制三維模型，噴氫孔位于進(jìn)氣道鼻梁位置，噴油孔位于缸內(nèi)進(jìn)氣道側(cè)，噴油孔直徑為0.25 mm，中心線與氣缸中心線的夾角為60°;噴氫孔直徑為5 mm，中心線與進(jìn)氣道軸線的夾角為30°。三維模型如圖1所示，AVL-Fire網(wǎng)格劃分如圖2所示。

氫的能量分?jǐn)?shù)是指每循環(huán)氫氣所產(chǎn)生的熱量占發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的總熱量的比值，即每循環(huán)氫氣的總能量與燃料總能量的比值。

[αH2=mH2HuH2mH2HuH2+mGASHuGAS]

其中，Hu（H2）和Hu（GAS）分別為氫氣和汽油的低熱值，MJ/kg，本研究中氫氣的低熱值選用119.8 MJ/kg，汽油的低熱值選用44.5 MJ/kg;[mH2]和[mGAS]分別為每循環(huán)輸入氣缸內(nèi)的氫氣和汽油的質(zhì)量，kg。

本研究選用氫的能量分?jǐn)?shù)表征摻氫比，下文一律采用摻氫比來描述。

基于上述模型，采用數(shù)值模擬的方式主要研究了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速6 000 r/min下，負(fù)荷率為100%、90%、80%時，0%、5%、10%、15%和20%的摻氫比對排放性能的影響。

首先模擬計算發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min下對應(yīng)的最大指示功所需的噴油量，即燃料能量，發(fā)動機(jī)運(yùn)行在該燃料能量下的工況稱為100%負(fù)荷率工況，此時汽油機(jī)的過量空氣系數(shù)為0.85～0.90，分別計算模擬了純汽油最大指示功的90%和80%所對應(yīng)的汽油燃料能量，即為90%負(fù)荷率和80%負(fù)荷率對應(yīng)的發(fā)動機(jī)總?cè)剂夏芰俊４撕?，依?jù)各負(fù)荷率對應(yīng)的燃料能量計算摻氫比為0%、5%、10%、15%和20%對應(yīng)的各工況下氫氣和汽油的噴射量。根據(jù)氫氣和汽油的噴射量模擬噴氫孔和噴油孔打開時長，控制摻氫比上下浮動0.3%。

分別使用CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)代指CO氣體、CO2氣體、NO氣體占總排放氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而分析不同工況下?lián)綒浔葘ζ蜋C(jī)排放性能的影響。

2 不同工況下?lián)綒浔葘ζ蜋C(jī)排放性能的影響

2.1 不同工況下?lián)綒浔葘ζ蜋C(jī)CO、CO2排放的影響

圖3為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，負(fù)荷率分別為100%、90%、80%時，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氫比的變化曲線。從圖3可以看出，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體處于較低水平，最高在0.07%左右，最低近似于0;在80%負(fù)荷率下，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氫比的增加無明顯變化，且處于0～0.007%，近似無變化。同一摻氫比下，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷率的增加而增加。這主要是因?yàn)镃O是汽油在燃燒過程中生成的重要中間產(chǎn)物，足夠的氧濃度和溫度、足夠長的化學(xué)反應(yīng)時間都可促使CO氧化為CO2。在100%負(fù)荷率下，氧濃度不足，燃料燃燒不完全，相較于其他工況，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高，在80%負(fù)荷率下過量空氣系數(shù)為1.3～1.5，燃燒過程中有足夠的氧氣使CO氧化為CO2。

圖4為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，負(fù)荷率分別為100%、90%、80%時，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氫比的變化曲線。觀察圖4可知，同一工況下，隨著摻氫比的增加，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，這是因?yàn)殡S著摻氫比的增加，過量空氣系數(shù)減少，即缸內(nèi)氧濃度減少;同一摻氫比下，隨著負(fù)荷率的降低，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增加后減小，即100%負(fù)荷率下的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比90%和80%負(fù)荷率下的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，這主要是由于100%負(fù)荷率對應(yīng)發(fā)動機(jī)過量空氣系數(shù)小于1，燃料不能完全燃燒，CO排放多，但沒有足夠的氧氣使其轉(zhuǎn)換為CO2，90%負(fù)荷率下的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%負(fù)荷率下的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是由于90%負(fù)荷率下的總?cè)剂夏芰看笥?0%負(fù)荷率下的總?cè)剂夏芰浚己慷?，CO排放較多，即使氧氣不能將全部CO轉(zhuǎn)換為CO2，也多于80%負(fù)荷率下的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 不同工況下?lián)綒浔葘ζ蜋C(jī)NO排放的影響

圖5為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，負(fù)荷率分別為100%、90%、80%負(fù)荷率下，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氫比的變化曲線。從圖5可以看出，100%負(fù)荷率和80%負(fù)荷率下，隨著摻氫比的增加，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高后降低。在摻氫比為10%時，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，分別較各工況下?lián)綒浔葹?%時的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了29.12%和56.99%;90%負(fù)荷率下，隨著摻氫比的增加，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而先減小后增大，在摻氫比為0%時NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，在摻氫比為15%時NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要因?yàn)槭荖O排放物主要來源于參與燃燒的空氣中的氮，即“熱NO”，高溫和充足的氧氣都可促使NO排放增多。具體原因如下。

①NO排放物的生成隨溫度的升高而呈指數(shù)函數(shù)急劇增加，可認(rèn)為溫度每升高100 K，NO的生成速率幾乎翻一番[9]。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時100%負(fù)荷率和80%負(fù)荷率下，缸內(nèi)峰值溫度均在摻氫比為10%時最高。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時90%負(fù)荷率下，缸內(nèi)峰值溫度在摻氫比為20%時達(dá)到最高。

②NO排放物在缸內(nèi)溫度達(dá)到2 000 K時，反應(yīng)生成速率很高，且由于NO生成反應(yīng)比燃料燃燒反應(yīng)慢，若反應(yīng)物在高溫環(huán)境下停留時間不足，則NO達(dá)不到平衡含量，使NO排放量減少[9]。100%負(fù)荷率和80%負(fù)荷率下的摻氫比為10%時，以及負(fù)荷率為90%下?lián)綒浔葹?0%時，缸內(nèi)高溫持續(xù)時間最長。

③過量空氣系數(shù)既影響燃燒溫度，又影響燃燒產(chǎn)物中氧的含量。因此，過量空氣系數(shù)對NO排放影響較大。NO排放量隨過量空氣系數(shù)的增加呈先增加后減小的趨勢，在過量空氣系數(shù)為1.1左右時，NO排放量出現(xiàn)峰值[9]。NO排放量隨過量空氣系數(shù)的變化趨勢歸根結(jié)底是缸內(nèi)溫度和氧含量的此消彼長。在100%負(fù)荷率下，過量空氣系數(shù)在0.9左右;在90%負(fù)荷率時，過量空氣系數(shù)為0.97～1.10;在80%負(fù)荷率時，過量空氣系數(shù)為1.29～1.47。同一轉(zhuǎn)速，由于節(jié)氣門開度保持最大，空氣隨噴氫量的變化而變化，隨著負(fù)荷率的降低，過量空氣系數(shù)增大。同一工況下，過量空氣系數(shù)隨摻氫比的增大而減小。

綜上所述，缸內(nèi)最高溫度、缸內(nèi)高溫持續(xù)時間及過量空氣系數(shù)等因素共同影響發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，100%、90%、80%負(fù)荷率下NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氫比的變化。

3 結(jié)語

筆者研究了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，在負(fù)荷率為100%、90%和80%下，摻氫比為0%、5%、10%、15%和20%對發(fā)動機(jī)排放性能的影響。得出如下結(jié)論。

①CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體處于很低的水平，在80%負(fù)荷率下，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氫比的增加無明顯變化，且處于0～0.007%。

②同一工況下，隨著摻氫比的增加，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，但在90%負(fù)荷率下，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在摻氫比為20%時出現(xiàn)小幅度上漲。同一摻氫比下，隨著負(fù)荷率的降低，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增加后減小。

③100%負(fù)荷率和80%負(fù)荷率下，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在摻氫比為10%時達(dá)到最大;90%負(fù)荷率下，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氫比的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在摻氫比為15%時NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低;100%負(fù)荷率和80%負(fù)荷率下，隨著摻氫比的增加，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小，且都大于純汽油機(jī);90%負(fù)荷率下，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于純汽油機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹永強(qiáng)，朱明明.近20年來我國空氣污染研究熱點(diǎn)與趨勢的文獻(xiàn)計量分析[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，37（3）：76-81.

[2] 侯麗朋，唐軍，趙榮欽，等.鄭州市不同產(chǎn)業(yè)的碳排放特征及減排潛力分析[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，37（3）：82-88.

[3] PAVLOS D，TAKU T. A review of hydrogen as a compression ignition engine fuel[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2017，42（38）：24470-24486.

[4] KARIM G A. Hydrogen as a spark ignition engine fuel[J].International Journal of Hydrogen Energy，2003，28（5）：569-577.

[5] YURIY G， YEVHENIY S， JONAS M， et al. Intensification of the combustion process in agasoline engine by adding a hydrogen-containinggas[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2018，43（33）：16334-16343.

[6] ISMAIL M M E， AHMED A A A， KAIRY H E，et al. Spark timing effect on performance of gasoline engine fueled with mixture of hydrogen-gasoline[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2017，42（52）：30813-30820.

[7] ISMAIL M. M. E， AHMED A A A， KAIRY H E， et al. Experimental investigation on performance of single cylinder spark ignition engine fueled with hydrogen-gasoline mixture[J].Applied Thermal Engineering，2016，106：850-854.

[8] 汪碩峰.摻氫汽油機(jī)燃燒與排放特性的試驗(yàn)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

[9] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.