PFI氫燃料內(nèi)燃機(jī)NOx排放特性的試驗(yàn)研究*

段俊法，劉福水，孫柏剛

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081)

前言

氫燃料清潔環(huán)保，是應(yīng)對(duì)排放法規(guī)日益嚴(yán)格和車(chē)用燃料枯竭的一種有效對(duì)策［1］。氫氣應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)無(wú)須對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)做過(guò)多的改動(dòng)，是現(xiàn)階段氫燃料最可能用于車(chē)輛的方式［2］。寶馬、福特都已開(kāi)發(fā)了進(jìn)氣道燃料噴射(PFI)氫內(nèi)燃機(jī)，曼公司組成的氫燃料內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)公交車(chē)隊(duì)已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行了超過(guò)200萬(wàn) km［3－5］。

氫氣用作內(nèi)燃機(jī)燃料時(shí)碳排放為零，但由于氫燃燒的溫度高，會(huì)產(chǎn)生高濃度的NOx排放，因而研究NOx的排放特性和控制方法是氫內(nèi)燃機(jī)研究的重要方向，得到了很多研究者的關(guān)注。一些研究者發(fā)現(xiàn)采用稀薄燃燒技術(shù)和優(yōu)化點(diǎn)火提前角是抑制NOx排放的有效途徑［5－7］，另一些研究者發(fā)現(xiàn)采用廢氣再循環(huán)(EGR)可以顯著降低NOx排放［8－10］。這些研究提出了抑制NOx排放的有效方法，但還不夠系統(tǒng)和充分，沒(méi)有覆蓋氫內(nèi)燃機(jī)的全部工況。

本文中在一臺(tái)4缸多點(diǎn)電噴汽油機(jī)基礎(chǔ)上，建立了進(jìn)氣道燃料噴射(PFI)氫內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)研究了氫內(nèi)燃機(jī)NOx排放特性，分析了全工況范圍內(nèi)NOx排放隨當(dāng)量燃空比、點(diǎn)火提前角和EGR的變化關(guān)系，為尋找全工況范圍內(nèi)抑制NOx排放策略提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 試驗(yàn)用內(nèi)燃機(jī)

試驗(yàn)采用了一臺(tái)4缸多點(diǎn)電噴汽油機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)燃機(jī)基本參數(shù)

在試驗(yàn)用汽油機(jī)上增加了一套進(jìn)氣道燃料噴射供氫系統(tǒng)。如圖1所示，氫氣以高壓儲(chǔ)存在鋼瓶里，經(jīng)二級(jí)減壓后氫氣進(jìn)入氫軌，氫軌上安裝有4個(gè)噴氫閥，在接到噴氫信號(hào)后將氫氣噴入對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣道。氫軌的內(nèi)徑經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化以較大的容積保證噴氫時(shí)氫軌內(nèi)的壓力波動(dòng)保持在2%以?xún)?nèi)。

EGR系統(tǒng)由EGR管路和EGR閥組成。EGR管路的入口在三效催化轉(zhuǎn)換器后方的排氣管上，出口在穩(wěn)壓箱后方的進(jìn)氣管上。EGR閥安裝在EGR管路入口處，調(diào)節(jié)EGR閥的開(kāi)度改變?cè)傺h(huán)廢氣在進(jìn)氣充量中的比例。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括試驗(yàn)臺(tái)架和測(cè)試設(shè)備，試驗(yàn)臺(tái)架由拖動(dòng)電機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)、冷卻水和機(jī)油恒溫系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)正常起動(dòng)和暖機(jī)，保證試驗(yàn)中內(nèi)燃機(jī)各種工況下的穩(wěn)定工作。主要測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 主要測(cè)量?jī)x器

試驗(yàn)中用空氣流量計(jì)測(cè)量空氣的質(zhì)量流量，氫氣流量計(jì)測(cè)量氫氣的質(zhì)量流量，從而得到當(dāng)量燃空比。曲軸轉(zhuǎn)角傳感器精確測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速，缸壓傳感器測(cè)量氣缸內(nèi)部的瞬時(shí)壓力，并將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸至燃燒分析儀分析燃燒過(guò)程。排氣分析儀采樣通道安裝在排氣管上、三效催化轉(zhuǎn)化器前端，測(cè)量未經(jīng)后處理廢氣中的NOx濃度。

1.3 試驗(yàn)方法

內(nèi)燃機(jī)由倒拖電機(jī)起動(dòng)和暖機(jī)后穩(wěn)定工作，試驗(yàn)過(guò)程中冷卻水恒溫系統(tǒng)和機(jī)油恒溫系統(tǒng)保證水溫和機(jī)油溫度的變化在5℃以?xún)?nèi)。研究包含如下3部分。

第1部分研究當(dāng)量燃空比對(duì)NOx排放的影響，在實(shí)驗(yàn)中，保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴氫壓力不變，改變噴氫脈寬以改變當(dāng)量燃空比。

第2部分研究點(diǎn)火提前角對(duì)NOx排放的影響，在確定工況下實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定工作，保持轉(zhuǎn)速和當(dāng)量燃空比不變，改變點(diǎn)火提前角，測(cè)得此工況下NOx排放隨點(diǎn)火提前角變化的規(guī)律，改變轉(zhuǎn)速和當(dāng)量燃空比，得到全部工況的NOx排放隨點(diǎn)火提前角的變化規(guī)律。

第3部分研究EGR對(duì)NOx排放的影響，在實(shí)驗(yàn)中手動(dòng)調(diào)節(jié)EGR閥，改變?cè)傺h(huán)廢氣的比例測(cè)得NOx隨EGR率的變化規(guī)律。

通常以EGR氣體質(zhì)量占工質(zhì)總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示EGR率γ，即

式中:mair為進(jìn)氣充量中的空氣質(zhì)量;mEGR充量中的EGR氣體質(zhì)量;mfuel為燃料質(zhì)量。由于廢氣的溫度和壓力較高且波動(dòng)較大，EGR的質(zhì)量難以測(cè)量。

本試驗(yàn)根據(jù)EGR前后空氣流量的變化來(lái)確定EGR率。

式中:Me表示某一工況下采用EGR時(shí)空氣流量計(jì)讀出的流量;Mair表示不采用EGR時(shí)的空氣流量。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 當(dāng)量燃空比對(duì)NOx排放的影響

圖2為試驗(yàn)得到的不同轉(zhuǎn)速下，當(dāng)量燃空比和NOx排放的關(guān)系曲線(xiàn)。各個(gè)轉(zhuǎn)速下NOx濃度隨當(dāng)量燃空比變化的規(guī)律都很接近:在當(dāng)量燃空比小于0.5時(shí)，NOx濃度隨當(dāng)量燃空比增大緩慢上升，但均不超過(guò)500×10－6;在當(dāng)量燃空比0.5～0.7之間，NOx濃度隨當(dāng)量燃空比增大急劇上升;在當(dāng)量燃空比0.7～0.9之間出現(xiàn)在φ接近1時(shí)出現(xiàn)8 000× 10－6～10 000×10－6的排放峰值;在當(dāng)量燃空比接近1時(shí)，NOx排放的濃度迅速降低，當(dāng)量燃空比φ達(dá)到1.1時(shí)，NOx濃度已經(jīng)降低到300×10－6左右。

轉(zhuǎn)速不改變NOx排放隨當(dāng)量燃空比變化的趨勢(shì)，但影響NOx排放的峰值濃度和峰值出現(xiàn)的位置。轉(zhuǎn)速越高，NOx排放的峰值濃度越大，但峰值濃度隨轉(zhuǎn)速增加的幅度不大:轉(zhuǎn)速?gòu)? 000r/min增加到5 000r/min時(shí)，排放峰值濃度僅從8 400×10－6增高到9 400×10－6。轉(zhuǎn)速越低，出現(xiàn)排放峰值的當(dāng)量燃空比越小:在1 000r/min，出現(xiàn)排放峰值(8 000× 10－6)時(shí)的當(dāng)量燃空比僅為0.7，而在5 000r/min時(shí)，出現(xiàn)排放峰值的燃空比接近0.9。

缸內(nèi)溫度影響NOx的生成，由于缸內(nèi)溫度無(wú)法直接測(cè)量，試驗(yàn)測(cè)取排氣溫度來(lái)分析缸內(nèi)溫度。如圖3所示，在轉(zhuǎn)速為2 000r/min時(shí)，當(dāng)量比小于0.5，排氣溫度低于197℃，而在當(dāng)量燃空比大于0.7時(shí)，排氣溫度超過(guò)577℃。缸內(nèi)溫度和排氣溫度的變化規(guī)律是一致的，在當(dāng)量燃空比達(dá)到0.7時(shí)，缸內(nèi)溫度也達(dá)到很高的溫度。

缸內(nèi)溫度升高的原因在于:在當(dāng)量燃空比小于1時(shí)，隨著當(dāng)量燃空比的增大，每個(gè)工作循環(huán)進(jìn)入氣缸的氫燃料增多，由于氣缸內(nèi)工質(zhì)的總熱容幾乎不變，而氫氣的燃燒值很高，因此氣缸內(nèi)的溫度隨著當(dāng)量燃空比的增大迅速升高。

氮?dú)獾男再|(zhì)在常溫時(shí)接近惰性氣體，但當(dāng)溫度升高一定程度后其活性迅速增加，開(kāi)始和O2發(fā)生反應(yīng)，因而溫度是燃空比較大時(shí)出現(xiàn)NOx排放的內(nèi)在原因。一些研究者發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，NOx的生成以指數(shù)規(guī)律急劇增加［5］。因而當(dāng)量燃空比增大到一定程度后NOx排放濃度急劇上升。

在當(dāng)量燃空比接近和超過(guò)1時(shí)，由于氫氣濃度很高且其活性遠(yuǎn)大于氮?dú)?，混合氣中的氧氣?yōu)先和氫氣發(fā)生反應(yīng)，因此NOx濃度會(huì)隨著當(dāng)量燃空比的增加而急劇下降。

2.2 點(diǎn)火提前角對(duì)NOx排放的影響

圖4為不同轉(zhuǎn)速和當(dāng)量燃空比條件下，NOx濃度隨點(diǎn)火提前角變化的關(guān)系曲線(xiàn)。由于當(dāng)量燃空比小于0.5時(shí)NOx排放濃度很低，而當(dāng)量燃空比大于0.7時(shí)，不發(fā)生回火的點(diǎn)火提前角范圍很小，本文中僅研究了當(dāng)量燃空比在0.5～0.7范圍內(nèi)點(diǎn)火提前角和NOx排放的關(guān)系。

由圖4可知，NOx排放的濃度隨點(diǎn)火提前角減小而降低，這種作用受轉(zhuǎn)速和當(dāng)量燃空比的影響。轉(zhuǎn)速越低，點(diǎn)火提前角對(duì)NOx排放的影響越顯著。在1 000r/min時(shí)，點(diǎn)火提前角減小15℃A，NOx排放降低了接近4 000×10－6。而在5 000r/min時(shí)，NOx排放幾乎不隨點(diǎn)火提前角的變化。

當(dāng)量燃空比越大，減小點(diǎn)火提前角、降低NOx排放的作用越明顯，在1 000 r/min，當(dāng)量燃空比0.62時(shí)，點(diǎn)火提前角減小20℃A，NOx排放濃度降低接近4 000×10－6。而在當(dāng)量燃空比0.50時(shí)，點(diǎn)火提前角減小20℃A，NOx排放濃度僅降低200×10－6。

點(diǎn)火提前角越大，氫氣在氣缸內(nèi)的燃燒越充分，因而氣缸內(nèi)的溫度越高，NOx排放的濃度也越高。減小點(diǎn)火提前角可有效降低NOx排放濃度。

先前的一些研究認(rèn)為點(diǎn)火提前角減小會(huì)造成熱效率降低［5－7］。為了深入分析點(diǎn)火提前角對(duì)效率的影響，試驗(yàn)分析了2 000r/min時(shí)點(diǎn)火提前角和燃燒持續(xù)期及熱效率的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知，減小點(diǎn)火提前角，從20℃A減小到5℃A，由于氫氣的燃燒速度很快，燃燒持續(xù)期僅增加了2.8℃A，從40.6℃A增大到43.4℃A，指示熱效率僅從最高的41.4%下降到39.2%?？梢?jiàn)在一定范圍內(nèi)減小點(diǎn)火提前角對(duì)熱效率的影響并不顯著，因而減小點(diǎn)火提前角是降低NOx的一種有效方法。

2.3 熱EGR對(duì)NOx排放的影響

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)采用EGR稀釋燃料和氧氣濃度，增大工質(zhì)的總熱容，并通過(guò)中冷器降低廢氣溫度，從而降低NOx排放。而氫燃料內(nèi)燃機(jī)中的殘余廢氣主要是水蒸氣，經(jīng)冷卻后廢氣成分主要是N2，工質(zhì)的總熱容偏小，因而采用了非中冷的熱EGR系統(tǒng)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)EGR能降低NOx排放，其作用效果決定于EGR率。圖6給出了轉(zhuǎn)速1 000r/min，不同EGR率時(shí)NOx排放隨燃空比變化的曲線(xiàn)。EGR率越大，NOx排放峰值和高濃度區(qū)的范圍均減小，采用15%的EGR率，峰值從8 000×10－6降至3 200× 10－6，下降了約60%;采用30%的EGR率，NOx排放峰值降至1 500×10－6，下降了約80%，而在EGR率40%時(shí)，NOx排放峰值已經(jīng)低于300×10－6，可以不經(jīng)后處理直接排放。

引入EGR以后，同樣當(dāng)量燃空比下氫燃料和純空氣在全部進(jìn)氣充量中的占比降低，因而燃燒的放熱量減少，而此時(shí)混合氣體含有比熱容較大的H2O蒸汽，總的比熱容有所增大，因此缸內(nèi)工質(zhì)的溫度明顯降低，進(jìn)而造成NOx濃度也大幅度降低，且NOx排放峰值位置提前。

由于采用較大的EGR率降低了氣缸內(nèi)的溫度，故此時(shí)氫內(nèi)燃機(jī)的熱效率有所降低，燃料經(jīng)濟(jì)性有所下降。

轉(zhuǎn)速影響對(duì)EGR的作用效果，如圖7所示。在1 000r/min低轉(zhuǎn)速下，15%的EGR率可使NOx峰值濃度降低60%。而在1 500、3 000和4 500r/min轉(zhuǎn)速下，NOx排放峰值僅降低了20%?？梢?jiàn)在低轉(zhuǎn)速時(shí)EGR降低NOx排放的能力更強(qiáng)。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)量燃空比是決定氫燃料內(nèi)燃機(jī)NOx排放濃度的主要因素，在當(dāng)量燃空比小于0.5和大于1.0時(shí)，NOx排放濃度很低。當(dāng)量燃空比等于0.6～1.0時(shí)NOx排放濃度很高，峰值濃度達(dá)到8 000×10－6～10 000×10－6。高轉(zhuǎn)速時(shí)，NOx排放的峰值濃度更高。

(2)在當(dāng)量燃空比0.5～0.65之間，減小點(diǎn)火提前角會(huì)使NOx排放顯著降低，在較大當(dāng)量燃空比時(shí)更為明顯。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，減小點(diǎn)火提前角對(duì)降低NOx排放的效果更為顯著。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)減小點(diǎn)火提前角對(duì)效率的影響并不顯著。

(3)采用EGR可以顯著降低NOx排放濃度。EGR率越大，EGR降低NOx排放峰值和高濃度區(qū)的范圍的作用越顯著。轉(zhuǎn)速越低作用越顯著。

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