噴射策略對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)性能的影響

摘要：為了響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰，碳中和”號(hào)召，實(shí)現(xiàn)“零碳排放”，選擇氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為碳中和的關(guān)鍵技術(shù)路線。為了快速實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)燃燒氫氣的相關(guān)試驗(yàn)研究，在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，采用缸內(nèi)直噴的氫氣噴射方案，在1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行直噴氫氣詳細(xì)測(cè)試，對(duì)比了汽油和氫氣燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和油耗的影響；并在氫氣直噴狀態(tài)下，研究了不同氫氣噴射參數(shù)，包括氫氣噴射相位、氫氣噴射壓力和不同氫氣噴嘴流量對(duì)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和NO排放的影響規(guī)律，為后續(xù)的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)；熱效率；噴射相位；噴射壓力；噴嘴流量；氮氧化物

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.007

中圖分類號(hào)：TK463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2222（2024）05-0049-06

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，全球各國(guó)都開始重視人類賴以生存的環(huán)境和氣候問題，降低碳排放成為了大家的共識(shí)。中國(guó)針對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，也采取了積極的措施，并承諾“二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)峰， 2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。為了減少內(nèi)燃機(jī)對(duì)環(huán)境的影響，必須探索新的“綠色燃料”，保證內(nèi)燃機(jī)在較小的環(huán)境影響下具有良好的性能。

氫氣作為重要的能量載體，其生產(chǎn)方式是多種多樣的，主要包括蒸汽重整、氣化以及化學(xué)或生物過程^［1］。氫氣是零碳燃料，燃燒產(chǎn)物主要是水。由可再生能源生產(chǎn)的氫氣，通常稱之為“綠氫”。

內(nèi)燃機(jī)可以使用氫氣作為燃料，氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史已有200多年^［2］，最早可以追溯到19世紀(jì)初。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)受限于氫氣燃料噴射技術(shù)、增壓技術(shù)以及液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)不成熟，加之氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率低，大多數(shù)公司中途放棄了氫發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。在20世紀(jì)70年代到90年代之間，寶馬和馬自達(dá)開始開發(fā)商用氫動(dòng)力車輛。氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)在20世紀(jì)取得了重大進(jìn)展，在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)零部件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了氫氣燃燒^［3］。在21世紀(jì)，隨著許多新車型的開發(fā)，人們對(duì)新類型的汽車越來越感興趣^［4-7］。

近些年國(guó)內(nèi)高校和主機(jī)廠關(guān)于氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用研究的熱度逐漸增加。北京理工大學(xué)孫柏剛團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)多家企業(yè)合作，開發(fā)了氫氣內(nèi)燃機(jī)的演示樣車^［8］。吉利汽車公司開發(fā)的第一代氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了44.1%的有效熱效率^［9］，目前已完成第二代氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)，最高有效熱效率超過46%。本研究將重點(diǎn)分析在44.1%熱效率開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)的氫氣噴射策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律。

氫燃料作為內(nèi)燃機(jī)和汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰和碳中和”目標(biāo)的重要技術(shù)路線，是各主機(jī)廠應(yīng)有的技術(shù)儲(chǔ)備，雖然目前距離車用氫能的產(chǎn)業(yè)化還需要一定的時(shí)間，但針對(duì)氫燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的開發(fā)和應(yīng)用具有非常重要的意義。本研究通過在基礎(chǔ)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上改燒氫氣，試驗(yàn)研究氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種不同的噴射方式對(duì)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。

1 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)介紹

1.1 氫氣特性

氫氣和汽油作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，特性對(duì)比如表1所示。與汽油相比，氫氣辛烷值更高，具有更好的抗爆性，可以在汽油機(jī)的基礎(chǔ)上提高幾何壓縮比。由于氫氣的分子擴(kuò)散率更高，活化能更低，氫氣能在4%～75%的空氣體積燃燒，具有良好的稀燃特性^［10］。氫氣的層流火焰燃燒速度為汽油的4～5倍^［11］，燃燒速度更快。

氫氣作為替代燃料在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用，可沿用現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，只需要對(duì)燃油供給系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的改裝，以適應(yīng)氫氣的存儲(chǔ)和供給。氫氣在內(nèi)燃機(jī)上的供給方式主要包括外部混合和內(nèi)部混合，不同噴射方式的特點(diǎn)如表2所示。

1.2 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)改裝

為了進(jìn)一步提升氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和功率、扭矩，在一款基礎(chǔ)熱效率較高的1.5 L直噴增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改制氫氣缸內(nèi)直噴方案?；A(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表3所示。

用于氫氣缸內(nèi)直噴的氫氣噴嘴有兩種形式，一種是類似汽油噴油器的改制款HDEV6，另一種是壓電式氫氣噴嘴。其中HDEV6氫氣噴嘴和噴油器尺寸相同，無(wú)需改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋。壓電式氫氣噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸和噴油器差異較大，需要對(duì)缸蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)變更。同時(shí)由于噴嘴的驅(qū)動(dòng)電壓更高，需要外掛控制器來驅(qū)動(dòng)氫氣噴嘴，外掛控制器從ECU取轉(zhuǎn)速、正時(shí)等信號(hào)，通過CAN和ECU通信，同步控制壓電式氫氣噴嘴。兩種氫氣噴嘴的控制方式見圖1。

2 氫氣試驗(yàn)臺(tái)架及設(shè)備

直噴氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架為專用氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，測(cè)量設(shè)備參數(shù)見表4。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩通過湘儀FC2000測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量，F(xiàn)C2490T1外部中冷設(shè)備用于控制進(jìn)氣溫度，F(xiàn)C2430T機(jī)油恒溫裝置用于控制機(jī)油溫度，空燃比通過空氣流量計(jì)ToCeiL-20N080和氫氣流量計(jì)RHEONIK RHM015L計(jì)算獲得，缸內(nèi)壓力通過KISTLER 6045A測(cè)量，燃燒分析儀型號(hào)為KIBOX 2893，NO排放通過HORRIBA FTX-ONE-CS測(cè)量。氫氣缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置如圖2所示。

3 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能

汽油直噴性能測(cè)試方法為，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～5 500 r/min范圍，節(jié)氣門全開，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，間隔500 r/min，在當(dāng)量比條件下，測(cè)試各個(gè)轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)所能達(dá)到的最大扭矩、功率。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)在2 500～4 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能達(dá)到最大扭矩215 N·m，4 000 r/min時(shí)最大功率為90 kW。更換氫氣燃料，稀燃條件下，測(cè)試各個(gè)轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)所能達(dá)到的最大扭矩、功率。氫氣直噴的噴射方式能達(dá)到汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性扭矩水平，4 000 r/min時(shí)最大功率下降，主要是受到早燃限制。由于轉(zhuǎn)速高于4 000 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)早燃嚴(yán)重，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，試驗(yàn)時(shí)將轉(zhuǎn)速控制在4 000 r/min以下。

圖4示出了外特性工況的有效熱效率和過量空氣系數(shù)。氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性工況均能實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，效率比原汽油機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。

氫氣直噴方案測(cè)試過程中，除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件方案進(jìn)行選型，同時(shí)也對(duì)直噴氫氣燃料的供給策略，包括氫氣噴射相位、氫氣噴射壓力和氫氣噴嘴流量變化對(duì)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試研究，總結(jié)形成了氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)特有的燃燒規(guī)律。

3.2 噴氫相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

為了探究氫氣噴射相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，試驗(yàn)選擇相同氫氣噴嘴，固定氫氣噴射壓力10 MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min，過量空氣系數(shù)?=2.3，控制發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力（BMEP）分別為0.2，0.6，1 MPa，在不同負(fù)荷下改變氫氣噴射相位，測(cè)試記錄不同氫氣噴射相位對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。EOI代表氫氣噴射結(jié)束時(shí)刻。

有效熱效率測(cè)試結(jié)果如圖5所示。三種不同負(fù)荷條件下，隨著氫氣噴射結(jié)束時(shí)刻接近上止點(diǎn)，有效熱效率逐漸升高。但氫氣噴射結(jié)束時(shí)刻晚于-30°之后，NO排放急劇升高。以BMEP=1 MPa工況測(cè)試為例，如圖6所示，EOI從-125°推遲到-25°，熱效率從40.87%升高到42.45%，NO排放量從342×10^-6升高到634×10^-6。

圖7示出BMEP=1 MPa條件下不同噴氫相位所對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)壓力。對(duì)比缸壓數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，氫氣噴射結(jié)束時(shí)刻越靠近上止點(diǎn)，進(jìn)入缸內(nèi)的高壓氫氣參與混合氣壓縮的時(shí)間越短，壓縮過程中的壓縮壓力越低，壓縮負(fù)功越小，這是氫氣晚噴可提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的原因之一。

圖8示出BMEP=1 MPa負(fù)荷條件下不同噴氫相位對(duì)應(yīng)的放熱率。由圖可知，放熱率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，氫氣噴射結(jié)束時(shí)刻越靠近上止點(diǎn)，從點(diǎn)火時(shí)刻到累計(jì)放熱量達(dá)到50%的速度越快，燃燒等容度更高，效率更高，這是氫氣晚噴熱效率高的重要原因。但氫氣噴射時(shí)刻太晚，氫氣和空氣混合時(shí)間縮短，會(huì)形成分層燃燒，氣缸內(nèi)局部濃區(qū)增加，可能是造成NO排放急劇增加的原因。

3.3 噴氫壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

為了探究氫氣噴射壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，試驗(yàn)選擇相同氫氣噴嘴，固定氫氣噴射結(jié)束相位EOI=-25°，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min，?=2.3，控制發(fā)動(dòng)機(jī)BMEP分別為1 MPa和1.15 MPa，在不同負(fù)荷下改變氫氣噴射壓力進(jìn)行測(cè)試。

不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷條件下，熱效率隨著氫氣噴射壓力的升高而增加，如圖9所示。圖10示出不同工況點(diǎn)的氫氣噴射起始相位。氫氣噴射持續(xù)期隨著氫氣噴射壓力變化而變化，由于不同工況點(diǎn)噴氫結(jié)束相位相同，所以氫氣噴射壓力越高，氫氣噴射脈寬越短，氫氣噴射過程越靠近上止點(diǎn)，進(jìn)入缸內(nèi)的高壓氫氣參與混合氣壓縮的時(shí)間越短，壓縮過程中的壓縮壓力越低，壓縮負(fù)功小，發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升。不同氫氣噴射壓力測(cè)試時(shí)的燃燒放熱規(guī)律與氫氣晚噴類似，氫氣噴射壓力越高，噴射過程越接近燃燒上止點(diǎn)，燃燒前半段放熱速度快，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率更高。不同負(fù)荷下NO排放均隨著氫氣噴射壓力降低而增加，如圖11所示?？赡艿脑蚴歉變?nèi)背景壓力影響了低壓氫氣噴射后期的混合。圖12示出BMEP=1 MPa工況不同噴射壓力對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)壓力變化。噴氫結(jié)束相位-25°對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)壓力達(dá)到2.6 MPa左右，若氫氣噴射壓力降低，氫氣的貫穿距離小，氫氣和空氣混合變差，形成分層燃燒，局部濃區(qū)增加，故NO排放升高。

3.4 氫氣噴嘴流量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

在進(jìn)行氫氣噴嘴試驗(yàn)時(shí)，選擇相同氫氣噴射壓力10 MPa，固定氫氣噴射結(jié)束相位-25°，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min，?=2.3，在15 MPa噴射壓力下分別更換噴嘴設(shè)計(jì)流量為2.5 g/s和5 g/s的兩種氫氣噴嘴進(jìn)行測(cè)試。

熱效率測(cè)試結(jié)果如圖13所示，5 g/s流量噴嘴熱效率更高，比2.5 g/s氫氣噴嘴熱效率提升0.4%左右。兩種流量氫氣噴嘴NO排放的測(cè)試結(jié)果如圖14所示，5 g/s流量噴嘴的NO排放顯著增加，比2.5 g/s氫氣噴嘴NO排放增加730×10^-6。主要是因?yàn)閲娮炝髁吭酱?，噴射脈寬越短，氫氣和空氣混合時(shí)間越短，形成分層燃燒，NO排放增加明顯。從試驗(yàn)結(jié)果來看，氫氣噴嘴流量增大對(duì)熱效率的提升較小，但是NO排放惡化明顯，所以實(shí)際選擇氫氣噴嘴時(shí)需要平衡噴嘴流量對(duì)效率和排放的影響。

4 結(jié)論

a） 氫氣缸內(nèi)直噴能達(dá)到原汽油機(jī)的扭矩和功率水平，相對(duì)于汽油燃料，氫氣燃料最小點(diǎn)火能量低，具有很好的稀燃特性，在普通火花塞點(diǎn)火條件下，能實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒，缸內(nèi)工質(zhì)絕熱指數(shù)增加，傳熱損失較少，可大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，外特性有效熱效率最高提升4%@2 500 r/min；

b） 氫氣噴射相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的氫耗和NO排放影響明顯，這和汽油燃料差別較大，汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)常用的噴射相位是點(diǎn)火上止點(diǎn)前300°～360°，而氫氣直噴時(shí)，噴射相位結(jié)束角在上止點(diǎn)前30°～40°時(shí)熱效率最高；但是由于混合氣分層，局部濃區(qū)增加，使得NO排放也隨之增加；

c） 氫氣噴射壓力不同，相同工況下氫氣噴射的結(jié)束角度也不同，試驗(yàn)時(shí)固定相同的氫氣噴射結(jié)束相位，測(cè)試發(fā)現(xiàn)氫氣噴射壓力越高，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率越高，NO排放越低；

d） 氫氣噴嘴流量不同，相同工況下氫氣噴射結(jié)束角不同，試驗(yàn)時(shí)固定相同的氫氣噴射結(jié)束相位，試驗(yàn)結(jié)果表明：噴嘴流量大，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率有所提升，但是NO排放增加明顯；為了平衡效率和排放，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能的前提下，可選擇相對(duì)較小流量的氫氣噴嘴。

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Effect of Injection Strategy on Performance of Hydrogen Internal Combustion Engine

HU Ke，WAN Jia，MA Wenzhong，YUAN Shuang，WEI Hong，ZHAO Fucheng

（Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.， Ningbo 315336，China）

Abstract： In order to respond to the national call of "carbon peak， carbon neutrality" and achieve "zero carbon emissions"， hydrogen engine was selected as the key technology route of carbon neutrality. In order to conduct rapid experimental research on the combustion of hydrogen gas in internal combustion engine， a cylinder-direct-injection hydrogen injection scheme was adopted based on gasoline engine， and detailed testing of direct injection hydrogen was conducted on a 1.5 L engine. The effects of gasoline and hydrogen fuel on engine performance and fuel consumption were compared and analyzed. And under the condition of hydrogen direct injection， different hydrogen injection strategies were studied including hydrogen injection phase， hydrogen injection pressure， and different hydrogen nozzle flow rates， and the effects of them on the thermal efficiency and NO emissions of hydrogen engine were further studied， which laid a foundation for the company subsequent development of hydrogen engine.

Key words： hydrogen engine；thermal efficiency；injection phase；injection pressure；nozzle flow rate；nitrogen oxide

［編輯：潘麗麗］