莊 遠, 朱國冬, 滕 勤

(合肥工業(yè)大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著化石燃料的逐漸短缺和排放法規(guī)的日益嚴格,政府以及科研機構希望找到合適的替代燃料,解決未來可能出現(xiàn)的能源和環(huán)境兩大全球性問題。在許多替代燃料中,氫氣以“可再生、無污染、存在廣”等優(yōu)越性成為各方研究和探索的焦點。

氫氣具有較寬的著火界限,摻入汽油中能夠加速火焰?zhèn)鞑ァ⒏纳聘變?nèi)燃燒、提高缸壓,有利于發(fā)動機做功[1];而且氫氣燃燒速度比汽油快,大大縮短了燃燒持續(xù)期,并且減少了傳熱損失[2-3]。但是氫氣的快速燃燒和大量放熱會造成氣缸中的溫度升高,產(chǎn)生更多的NOx排放[4]。怠速時適量摻氫可以提高發(fā)動機的穩(wěn)定性,改善HC的排放,但是隨著負荷的增加,氫氣的加入會使NOx排放升高,因此必須根據(jù)發(fā)動機工況靈活調(diào)控摻氫比。

隨著節(jié)能減排的要求日益提高,通過摻氫的方式來實現(xiàn)空燃比20以上的稀薄燃燒成為了許多單位研究的熱點。目前對摻氫的燃燒大多采取進氣道或者進氣總管噴射的方式,但是對汽油氫氣缸內(nèi)噴射以及摻氫發(fā)動機稀燃的研究并不多見。早期研究人員采用進氣歧管噴氫技術來解決由于氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、點火能量低而引起的早燃和回火等問題[5-8],然而這種通過自然吸氣在外部形成混合氣的方式使得發(fā)動機功率密度低,不能產(chǎn)生較高的輸出功率,因此缸內(nèi)直噴氫氣成為目前的研究熱點。缸內(nèi)直接噴氫不僅可以完全避免回火問題,而且可以產(chǎn)生較高的輸出功率并提高燃燒熱效率[9-10]。但傳統(tǒng)缸內(nèi)直噴氫氣的方式由于氫氣擴散性較強,不能很好地利用氫氣本身的各項優(yōu)點,尤其是對點火起始階段燃燒的優(yōu)化作用。基于此,本文嘗試用帶微孔的火花塞來實現(xiàn)缸內(nèi)氫氣直噴,使得氫氣通過噴射器直接噴射到火花塞周圍。由于氫氣具有著火界限寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓泉毺氐睦砘再|(zhì),使得在火花塞周圍形成較濃的混合氣,有利于發(fā)動機在稀燃工況下運行,并且相比于進氣道噴氫需要的氫氣量更少。

本文基于構建的汽油氫氣缸內(nèi)雙噴射系統(tǒng),通過對怠速和部分負荷工況下噴氫正時、噴氫脈寬、噴氫壓力和過量空氣系數(shù)等控制參數(shù)的試驗研究,以及對油耗量、總排溫、燃燒和排放數(shù)據(jù)的分析,來尋求最佳的氫氣噴射正時和摻氫比,從而實現(xiàn)對汽油氫氣缸內(nèi)雙噴射發(fā)動機參數(shù)的精準控制。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

本文試驗臺架所使用的江淮1.5TGDI直列四缸發(fā)動機參數(shù)如下：最大功率為128 kW;最大扭矩為251 N·m;壓縮比為10∶1;排量為1.5 L。該發(fā)動機進氣形式為渦輪增壓，配氣機構為雙頂置式凸輪軸(double overhead camshaft，DOHC)。

本文試驗系統(tǒng)采用凱邁FST2D發(fā)動機測控系統(tǒng)和凱邁CW160電渦流測功機(扭矩測量精度±0.4% F.S.;轉(zhuǎn)速測量精度±1 r/min)來控制發(fā)動機的扭矩和轉(zhuǎn)速,油耗采用凱邁FCMM-3油耗測量儀(油耗測量精度±0.3% F.S.)來測量。缸壓和曲軸轉(zhuǎn)角信號分別采用KISTLER 6115C-5BQ01型火花塞式缸壓傳感器(缸壓測量精度±0.5% F.S.)和KISITLER 2614C型角標儀進行測量,這些信號由AVL IndiCom燃燒分析儀進行分析,獲得缸壓-曲軸轉(zhuǎn)角關系曲線?？諝饬髁坎捎肨oCEIL-20N060型氣體質(zhì)量流量計測量(測量精度±1% F.S.)。氫氣流量采用北京七星華創(chuàng)生產(chǎn)的D08-1F型質(zhì)量流量計(測量精度±1% F.S.)。使用HORIBA MEXA-584L型廢氣分析儀來測量發(fā)動機空燃比和各排放值。

氫氣缸內(nèi)直噴系統(tǒng)由帶穩(wěn)壓裝置的氫氣發(fā)生器、數(shù)字式質(zhì)量流量計、共軌、噴射器和帶孔的火花塞組成。帶孔的火花塞如圖1所示。

圖1 帶孔的火花塞

氫氣噴射控制單元使用銳科ECR12V-GDI控制單元,基于原機曲軸與凸輪軸傳感器信號實現(xiàn)氫氣缸內(nèi)噴射控制。

汽油氫氣缸內(nèi)雙噴射系統(tǒng)整體控制框圖[11]如圖2所示。

圖2 汽油氫氣缸內(nèi)雙噴射系統(tǒng)整體控制框圖

1.2 試驗方法

根據(jù)研究目標不同,本文試驗在怠速和部分負荷工況下進行[12]。

在怠速工況下主要研究最佳的噴氫正時、摻氫提升怠速的穩(wěn)定性以及氫氣噴射壓力對整個試驗的影響。試驗時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為800 r/min,過量空氣系數(shù)為1.0,氫氣噴射壓力為4 MPa和6 MPa,噴射脈寬為400 μs,從上止點前200°CA到上止點前5°CA改變噴氫正時,對測量的試驗數(shù)據(jù)進行分析。

在部分負荷工況下,以過量空氣系數(shù)為被控參數(shù),以噴氫脈寬為調(diào)節(jié)變量,確定稀燃狀態(tài)下穩(wěn)定燃燒的最佳摻氫比。試驗時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min;油門開度為35%,氫氣噴射壓力為6 MPa,噴氫正時為怠速工況下所確定的最佳噴氫正時,過量空氣系數(shù)變化范圍為1.0～1.5,噴氫脈寬變化范圍為400～900 μs,對測量的試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2 試驗結果分析

2.1 怠速工況

怠速是發(fā)動機的典型工況之一,怠速時發(fā)動機對外并不輸出有用功。發(fā)動機怠速性能對油耗、排放和舒適性有較大影響,是評價發(fā)動機性能的重要指標。

在怠速工況下油耗量和平均指示有效壓力(indicated mean effective pressure,IMEP)隨噴氫正時的變化情況如圖3所示，其中最左側一組數(shù)據(jù)為原機不噴射氫氣的數(shù)據(jù),形成對比。

從圖3a可以看出:在上止點前200°CA～100°CA之間,由于氫氣參與燃燒,提供動力,原機電子控制單元(electronic control unit,ECU)通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)原機噴油量,降低油耗;在上止點前100°CA～20°CA之間，由于氫氣噴射推遲,影響缸內(nèi)燃燒情況,從而使得油耗量增加來維持發(fā)動機的穩(wěn)定工況;在上止點前20°CA以下，由于噴射推遲接近上止點,導致缸內(nèi)壓力增大，使得氫氣噴射阻力增加,因此相同的噴射壓力和噴射脈寬下氫氣噴射量會減少,油耗量會上升。綜合來說,在噴射壓力為4 MPa和6 MPa下,油耗量在噴射正時為上止點前100°CA時降到最低。

從圖3b中可以看出：在上止點前200°CA～100°CA之間,IMEP呈上升趨勢,這是由于氫氣的擴散速度明顯高于汽油,摻氫在一定程度上可以提高混合氣的均勻程度,從而促使燃料的快速、充分燃燒,另一方面氫氣的絕熱火焰速度快,因此摻氫使汽油機燃燒狀態(tài)得到改善,熱效率提高;在上止點前100°CA～20°CA之間,IMEP呈下降趨勢,此時氫氣噴射正時推遲,使得汽油、氫氣和空氣混合不均,燃燒不充分;在上止點前20°CA以下時,由于氫氣噴射在點火提前角附近,造成缸內(nèi)壓力急劇上升,但由于噴射正時太過推遲,也造成燃燒不充分。

從圖3還可以看出,在6 MPa壓力下,IMEP波動較小,發(fā)動機工作更穩(wěn)定。綜合來說,在4 MPa和6 MPa壓力下,IMEP在噴射正時為上止點前100°時能達到最佳狀態(tài)。

圖3 油耗量和IMEP隨噴氫正時的變化

在怠速工況下HC排放和NOx排放隨噴氫正時的變化情況如圖4所示。

從4a圖可以看出,HC排放φHC在氫氣噴射后明顯下降,且在上止點前200°CA～5°CA之間,HC排放基本保持不變。這是由于氫氣的燃燒界限寬,氫氣噴射后發(fā)動機缸內(nèi)的燃料可以在更高的過量空氣系數(shù)條件下充分燃燒,從而抑制了由于油膜效應所導致的失火現(xiàn)象,進而使得HC排放在氫氣噴射后明顯降低。

從圖4b中可以看出,NOx排放φNOx在氫氣噴射后明顯上升,并且在上止點前200°CA～5°CA之間,NOx排放變化不大。這是由于氫氣的絕熱火焰溫度較高,且噴射氫氣能夠縮短燃料燃燒持續(xù)期和提高缸內(nèi)燃燒溫度,進而導致NOx排放上升。

綜合來說,在4 MPa和6 MPa壓力下,HC排放和NOx排放在噴氫正時為上止點前100°CA時相對較小。

2.2 部分負荷工況

部分負荷是發(fā)動機運行最常見的工況之一,因此改善發(fā)動機部分負荷下的燃燒和排放特性對于提高整個發(fā)動機性能具有重要的意義。

在部分負荷工況、不同過量空氣系數(shù)下油耗量和總排溫隨噴氫脈寬的變化情況如圖5所示。

圖5 油耗量和總排溫隨噴氫脈寬的變化

由圖5a可以看出:油耗量整體是隨著噴氫脈寬的增加而降低的。這是由于氫氣是氣態(tài)燃料,參與燃燒并提供動力,原機ECU通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)原機噴油量,降低油耗量;但是在λ=1.3和λ=1.4下,噴射脈寬從600 μs加到700 μs時,油耗量出現(xiàn)稍微上升,這是由于在稀燃條件下,當氫氣過量時,汽油、氫氣和空氣混合不均導致燃燒不充分,從而使油耗量有些許波動。

由圖5b可以看出,總排溫隨噴氫脈寬的增加先下降再上升。這是由于氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?摻入氫氣后使得點火提前角提前,燃燒更穩(wěn)定充分,使得熱效率高、熱損失小,從而使總排溫下降;但當氫氣的量繼續(xù)增加,導致缸內(nèi)溫度上升很高,從而導致總排溫會繼續(xù)上升。

由圖5數(shù)據(jù)可知,使總排溫最低的最佳摻氫比分別為1.99%、2.18%、2.17%或3.51%、3.51%、2.32%、5.10%。

部分負荷工況、不同過量空氣系數(shù)下HC排放和NOx排放隨噴氫脈寬的變化情況如圖6所示。

圖6 HC排放和NOx排放隨噴氫脈寬的變化

從圖6a可以看出,HC排放隨著噴氫脈寬的增加先減小后增大。這是由于氫氣的燃燒界限較寬,氫氣噴射后發(fā)動機缸內(nèi)的燃料可以充分燃燒,使得HC排放在氫氣噴射后明顯降低;但是隨著氫氣量的繼續(xù)增加,使得燃燒不充分,從而導致HC排放又開始增加。

由圖6a數(shù)據(jù)可知,在HC排放最低時最佳的摻氫比分別為2.91%、2.18%、3.51%、3.51%、3.56%、5.10%。

從圖6b可以看出,NOx排放總是隨著噴氫脈寬的增加而上升。這是由于氫氣的絕熱火焰溫度高,而且摻入氫氣有利于縮短發(fā)動機的燃燒持續(xù)期。

由圖6b數(shù)據(jù)可知,在保證NOx排放最低時的最佳摻氫比分別為1.99%、2.17%、2.17%、2.19%、2.32%、2.29%。

3 結 論

本文基于構建的汽油-氫氣缸內(nèi)雙噴射系統(tǒng),通過對怠速和部分負荷工況下控制參數(shù)的試驗研究,分析油耗量、總排溫、燃燒以及排放等數(shù)據(jù),得出結論如下:

(1) 在怠速工況下,通過對油耗量、IMEP和排放數(shù)據(jù)的對比和分析發(fā)現(xiàn),控制噴氫正時在上止點前100°CA時能使汽油氫氣發(fā)動機的性能達到最佳,也確定上止點前100°CA為部分負荷控制實驗的氫氣最佳噴射正時。通過怠速工況試驗也發(fā)現(xiàn)，氫氣噴射能提高怠速工況的穩(wěn)定性,使得發(fā)動機在怠速時能夠穩(wěn)定運行。通過對IMEP的數(shù)據(jù)分析可知,氫氣噴射壓力越大,IMEP的值波動越小,發(fā)動機越穩(wěn)定。

(2) 在部分負荷工況下,對比在不同過量空氣系數(shù)下噴氫脈寬對油耗量、總排溫和排放數(shù)據(jù)的影響,最終確定在部分負荷工況下、過量空氣系數(shù)在1.0～1.5之間的最佳摻氫比分別為1.99%、2.18%、3.51%、3.51%、3.56%、5.10%。