摻燒布朗氣對(duì)輕型車加速過程排放的影響

王 忠，王 飛，姚 康，劉 帥，趙 洋

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2.南京藍(lán)天氫能科技股份有限公司，江蘇南京210012)

布朗氣是澳大利亞尤爾·布朗教授20世紀(jì)80年代提出的一種通過布朗發(fā)生器以堿性水溶液為原料，電解生成氫氧比例為2∶1的混合可燃?xì)怏w［1］.布朗氣具有改善燃燒的作用，開發(fā)的布朗氣復(fù)合燃料燃燒系統(tǒng)在垃圾焚燒方面得到了應(yīng)用;布朗氣燃燒時(shí)能夠形成高溫，可以融化金屬，在金屬切割、焊接等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［2］.

國(guó)外學(xué)者在發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了應(yīng)用布朗氣的研究，用于改善發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程，降低排放.A.A.Al-Rousan 等［1，3］以 HondaG200 單缸汽油機(jī)為研究對(duì)象，摻燒布朗氣，結(jié)果表明:進(jìn)氣管中引入布朗氣后，NOx降低為原來的50%左右，CO降低為原來的20%左右.A.C.Y.Erin?等［4］將布朗氣引入進(jìn)氣管，研究了添加布朗氣對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響.結(jié)果表明:引入布朗氣后，CO的排放降低了13.5%，HC的排放降低了5.0%.

汽車在加速過程中，柴油機(jī)每次循環(huán)噴油量增加，造成混合氣過濃，燃油來不及充分燃燒導(dǎo)致柴油機(jī)加速工況的排放比穩(wěn)態(tài)工況差［5］.實(shí)際道路下，加速狀態(tài)下的車輛顆粒物數(shù)量、質(zhì)量濃度明顯高于其他行駛狀態(tài)［6］.NOx瞬時(shí)排放體積分?jǐn)?shù)隨工況變化明顯，車輛加速時(shí)，NOx排放體積分?jǐn)?shù)顯著增大，加速結(jié)束或車輛減速會(huì)導(dǎo)致NOx排放體積分?jǐn)?shù)迅速降低，并有較大幅度的波動(dòng)［7］.

筆者將一定量的布朗氣引入柴油機(jī)進(jìn)氣總管進(jìn)行試驗(yàn)，使之與空氣混合并與柴油在燃燒室內(nèi)混合燃燒，測(cè)量NOx，THC，CO排放量，并與原機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，考察摻燒布朗氣對(duì)輕型車加速過程中排放性能的影響.

1 布朗氣對(duì)燃燒的作用

布朗氣無色、無味，摩爾質(zhì)量為12.3g·mol-1.布朗氣的主要成分是 H2和 O2，其中 H2約占60.79%，O2約占30.39%，另外含有少量水蒸氣以及 O，OH 等活性成分［8］.

布朗氣燃燒時(shí)不需要提供額外的氧氣，由于H2的火焰?zhèn)鞑ニ俣群芸?，加速了柴油的擴(kuò)散燃燒速度，使得整體燃料的燃燒速度明顯加快［9］.布朗氣較寬的燃燒極限，可以擴(kuò)大可燃混合氣的燃燒稀限，改善缸內(nèi)局部過稀可燃混合氣的燃燒狀況;布朗氣具有內(nèi)爆效應(yīng)［10］，燃燒或爆炸后，會(huì)以1860∶1體積比形成真空.這種效應(yīng)有助于增加混合氣著火后的缸內(nèi)擾動(dòng).

布朗氣中的氫氣、氧氣燃燒是典型的支鏈反應(yīng)過程，當(dāng)形成1個(gè)分子的水時(shí)，就得到了2個(gè)新的活性物質(zhì).這些活性物質(zhì)在燃料燃燒過程中形成載體，促使C—H鏈反應(yīng)的進(jìn)行，使得燃燒更加完全.氫氣、氧氣燃燒主要的反應(yīng)為

鏈的引發(fā)為

鏈的傳遞為

氣象終斷為

氣壁終斷為

將式(3)-(6)相加得

每一個(gè)參加反應(yīng)的H原子，在生成2個(gè)H2O分子的同時(shí)，生成3個(gè)H原子，這3個(gè)H原子又可以形成另外3個(gè)鏈繼續(xù)參加反應(yīng)，隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，H原子的數(shù)目按指數(shù)增長(zhǎng)，因此反應(yīng)不斷加速，直至產(chǎn)生爆炸［11］.柴油燃燒過程中，布朗氣中的活性自由基向R(烴)、C和CO傳遞氧，促進(jìn)了燃油分子的擴(kuò)散和氧化，催化特性促進(jìn)了柴油燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，使得可燃混合氣的燃燒更加完全.

2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

選擇以柴油機(jī)為動(dòng)力的輕型貨車為研究對(duì)象，柴油機(jī)型號(hào)為BJ483ZQB，最大功率為46kW(3300 r·min-1)，最大轉(zhuǎn)矩為 110N ·m(2300r·min-1).在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上完成了整車加速試驗(yàn)，測(cè)量了整個(gè)加速過程中的排放污染物.試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示.主要試驗(yàn)儀器如表1所示.

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表1 主要試驗(yàn)儀器和設(shè)備

2.2 試驗(yàn)方案

以柴油機(jī)進(jìn)氣管未引入和引入布朗氣(2L·min-1)作為2種試驗(yàn)對(duì)比方案，測(cè)量了整車加速過程中瞬態(tài)排放污染物隨時(shí)間的變化規(guī)律.為了對(duì)比加速過程中污染物的瞬態(tài)排放，用加速過程中單位時(shí)間的平均排放體積分?jǐn)?shù)作為評(píng)價(jià)參數(shù)，比較了THC，NOx，CO等排放污染物的變化規(guī)律.根據(jù)不同擋位的最高車速，試驗(yàn)分為以下4種不同初速的加速過程:① 車速由0km·h-1加速到13km·h-1;② 車速由13km·h-1加速到27km·h-1;③ 車速由27 km·h-1加速到40km·h-1;④ 車速由40km·h-1加速到62km·h-1.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 NOx排放

柴油機(jī)燃燒過程中，NOx主要形成于燃燒過程中高溫富氧環(huán)境，NOx的生成量取決于吸入氣缸的空氣量、最高燃燒溫度及持續(xù)時(shí)間.NOx排放隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示.

圖2 NOx排放隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖2可以看出:每擋加速過程中，NOx的變化趨勢(shì)基本相同;加速初期，隨著車速升高，NOx急劇增加;隨著缸內(nèi)燃燒狀況趨于穩(wěn)定，NOx排放達(dá)到最大值后持續(xù)下降，經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段后，NOx繼續(xù)下降到最小值;起步加速過程中，4s之前未引入布朗氣的工況下，NOx排放較高，4s以后，2種工況下的NOx排放接近;超越加速過程中，由初速度13km·h-1開始加速時(shí)，NOx排放由20×10-6增加到52×10-6;由初速度27km·h-1開始加速時(shí)，NOx排放由20×10-6增加到62×10-6;由初速度40 km·h-1開始加速時(shí)，NOx排放由20×10-6增加到85×10-6.比較不同初速度的超越加速可以看出NOx排放隨著超越加速初速度的增加而增加.這是因?yàn)殡S著擋位增加，變速箱由低傳動(dòng)比變?yōu)楦邆鲃?dòng)比，整車外阻力力矩相同且達(dá)到相同加速度的情況下，要求柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增加，負(fù)荷增加，噴入氣缸內(nèi)的燃油量相應(yīng)增加，缸內(nèi)的最高燃燒溫度升高，燃料NO以及熱NO增加導(dǎo)致了NOx排放的增加.

THC和NOx的時(shí)間平均排放體積分?jǐn)?shù)如表2所示，引入布朗氣后，整車初速度為13，27km·h-1的超越加速過程中，NOx排放下降了4.5%左右;同樣，整車初速度為40km·h-1的超越加速過程中NOx排放下降了8.5%.

表2 THC和NOx的時(shí)間平均排放體積分?jǐn)?shù)

整車加速過程中，引入布朗氣后的NOx排放均略低于未引入布朗氣的工況.這是因?yàn)椴祭蕷夂袣錃獬煞?，氫的燃燒界限較寬，點(diǎn)火能量低，燃燒速度快［12］.活塞壓縮行程中，柴油可燃混合氣壓縮燃燒，引燃混合氣中的布朗氣，布朗氣的內(nèi)爆效應(yīng)增加了缸內(nèi)的氣流擾動(dòng)，加快了缸內(nèi)燃燒過程，縮短了柴油滯燃期，急燃期內(nèi)準(zhǔn)備的可燃混合氣減少，急燃期縮短，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低;布朗氣較寬的燃燒極限，擴(kuò)大了可燃混合氣的燃燒稀限，改善了缸內(nèi)局部過稀可燃混合氣的燃燒狀況，“貧油”區(qū)的NO生成率降低.兩者共同作用，使得引入布朗氣后NOx排放較低，初速度為40km·h-1的整車超越加速過程中，布朗氣降低NOx的作用更加明顯.

3.2 THC排放

THC排放隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示，不同擋位的加速初期，THC排放急劇增加.起步加速過程中，前4s進(jìn)氣預(yù)混布朗氣后，THC排放較高;4s之后2種方案的THC排放水平相當(dāng).初速度為13 km·h-1的超越加速過程中，THC排放增加較快;初速度為27km·h-1的超越加速過程中，THC排放增加緩慢，且排放體積分?jǐn)?shù)低于初速度為13 km·h-1的超越加速過程.

圖3 THC排放隨時(shí)間的變化關(guān)系

THC排放隨車速的變化關(guān)系如圖4所示，初速度為40 km·h-1的超越加速過程中，進(jìn)氣總管通入布朗氣后，車速達(dá)到45 km·h-1時(shí)，THC排放低于原機(jī).

圖4 THC排放隨車速的變化關(guān)系

初速度為13 km·h-1的超越加速過程初期，THC排放先急劇上升，隨著車速的增加，THC排放小幅下降后持續(xù)上升.這是因?yàn)榧铀龠^程初期噴油量急劇增加，柴油機(jī)處于急加速階段，燃料燃燒不完全，THC排放急劇增加.隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，缸內(nèi)溫度升高，燃燒狀況趨于穩(wěn)定，THC排放小幅下降.隨著加速過程的持續(xù)，噴油量持續(xù)增加，THC排放持續(xù)增加.

初速度為27 km·h-1的超越加速階段，THC排放上升緩慢且低于初速度為13 km·h-1的超越加速階段.這是因?yàn)殡S著加速過程的進(jìn)行，外界阻力增加，導(dǎo)致柴油機(jī)負(fù)荷增加，缸內(nèi)最高燃燒溫度升高，燃油霧化效果增強(qiáng)，燃料燃燒更加完全，THC排放較低.

初速度為40 km·h-1的超越加速過程初期，THC排放急速上升后持續(xù)下降，引入布朗氣后，車速穩(wěn)定時(shí)THC排放比未通布朗氣的工況下降低6.7%.由表2可以看出:布朗氣對(duì)THC瞬態(tài)排放的影響隨著加速過程中初速度的增加而增加.初速度分別為13，27 km·h-1的加速過程中，THC排放變化不大;初速度為40 km·h-1的加速過程中，THC時(shí)間平均排放體積分?jǐn)?shù)降低了5.3%.這是因?yàn)殡S著車速增加，柴油機(jī)負(fù)荷增加使得缸內(nèi)最高燃燒溫度升高，布朗氣增加了缸內(nèi)的活性自由基，自由基向R(烴)、C和CO傳遞氧，促進(jìn)了燃油分子的擴(kuò)散和氧化，加快了柴油分子鏈反應(yīng)的進(jìn)行，布朗氣的催化特性起主要作用，使得高負(fù)荷下THC排放的下降更加明顯.

3.3 碳氧化物排放

CO是HC燃料在燃燒過程中生成的主要產(chǎn)物.如果反應(yīng)氣的氧濃度、溫度足夠高，化學(xué)反應(yīng)所占的時(shí)間足夠長(zhǎng)，CO會(huì)氧化成CO2.CO排放隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示，在起步加速和初速度為13，27 km·h-1的超越加速過程中，CO波動(dòng)較小.初速度為40 km·h-1的加速過程中，CO波動(dòng)較大，30 s時(shí)CO開始急劇增加，達(dá)到最大值后開始急劇下降，車速穩(wěn)定時(shí)CO排放變化不大.

圖5 CO排放隨時(shí)間的變化關(guān)系

CO2排放隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示，在整個(gè)加速過程中，引入布朗氣體后，CO2排放比原機(jī)略有下降，初速度為40 km·h-1的超越加速階段，CO2排放比原機(jī)降低4.2%.

圖6 CO2排放隨時(shí)間的變化關(guān)系

整個(gè)加速過程中，柴油機(jī)進(jìn)氣總管引入布朗氣后，CO的瞬態(tài)排放較高.這是因?yàn)椴祭蕷饨档土瞬裼蜋C(jī)缸內(nèi)的最高燃燒溫度，部分CO未能氧化成CO2，導(dǎo)致CO的瞬態(tài)排放較高.

4 結(jié)論

1)柴油機(jī)進(jìn)氣總管引入布朗氣后，隨著整車超越加速時(shí)初速度的增加，THC和NOx排放降低率逐步增加.整個(gè)加速過程中，CO略有升高.

2)進(jìn)氣總管引入布朗氣后，車速由0到40 km·h-1的變化過程中，THC幾乎沒有下降，NOx排放降低4.5%左右;初速為40km·h-1的超越加速過程中，THC排放降低5.3%，NOx排放下降8.1%左右.

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