預(yù)混合氫氣對柴油機(jī)爆震燃燒的影響

胡建功，王欲進(jìn)，江冰，高瑞娟

(太原學(xué)院機(jī)械工程系，山西 太原 030032)

交通運(yùn)輸?shù)奶娲剂习ㄒ掖?、甲烷、壓縮天然氣、液化石油氣和氫氣。在這些燃料中，氫氣是唯一的無炭燃料，因此被認(rèn)為是與柴油混合以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)所需特性的最佳選擇之一[1-4]。氫氣可以通過化石燃料、光催化生物質(zhì)及電解水技術(shù)制取，氫也是宇宙中存儲(chǔ)量最豐富的元素之一，氫氣具有擴(kuò)散系數(shù)大、著火界限寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)[5-7]。爆震燃燒是限制氫氣-柴油預(yù)混壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要因素之一；柴油機(jī)爆震的產(chǎn)生與燃?xì)獾慕M成、環(huán)境條件、工況等有關(guān)[8]，雖然氫氣是理想的替代燃料，但柴油機(jī)預(yù)混氫氣帶來回火、早燃、爆震和排放等問題，以上這些都限制了替代燃料技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用及商業(yè)化進(jìn)程。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)發(fā)生輕微爆震時(shí)，燃燒過程更接近定容燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和熱效率均有所提高[9]。而強(qiáng)烈的爆震會(huì)引起一系列的問題，如發(fā)動(dòng)機(jī)過熱、零件應(yīng)力增加、輸出功率降低及排放水平惡化等[10]。由于氫氣燃燒速率快，其在柴油機(jī)上應(yīng)用時(shí)爆震尤為明顯[11]。文獻(xiàn)[12]研究表明，柴油機(jī)摻氫模式下發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震的工況范圍優(yōu)于純柴油模式。文獻(xiàn)[13]研究表明，柴油機(jī)預(yù)混合氫氣時(shí)缸內(nèi)壓力表現(xiàn)為高頻大幅度波動(dòng)，利用時(shí)域缸壓檢測系統(tǒng)對缸壓信號進(jìn)行高通濾波處理，以避免高頻壓力振蕩產(chǎn)生的誤差，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，減少爆震現(xiàn)象的發(fā)生。文獻(xiàn)[14]報(bào)道了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氣對柴油機(jī)噴油正時(shí)的影響，通過噴油策略優(yōu)化燃燒和排放，以避免爆震產(chǎn)生。

關(guān)于爆震極限時(shí)氫氣噴入柴油機(jī)的最大替代率以及排放尚未有人研究，本研究基于圖形編程軟件LabVIEW對發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓進(jìn)行采集與分析，通過調(diào)節(jié)器控制氫氣質(zhì)量流量，研究不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，預(yù)混合氫氣在爆震極限工況點(diǎn)對柴油機(jī)性能、燃燒及排放的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

臺(tái)架試驗(yàn)所用柴油機(jī)為WP7.270E40增壓中冷直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，該柴油機(jī)的主要性能參數(shù)見表1。試驗(yàn)過程中對原機(jī)進(jìn)行改裝，采用Cylmate壓力傳感器測量缸內(nèi)壓力，傳感器安裝在6個(gè)氣缸內(nèi)，與氣缸蓋內(nèi)側(cè)平齊；由氫氣存儲(chǔ)罐供給氫氣，通過壓力調(diào)節(jié)器降低壓力后，氫氣通過熱交換器達(dá)到室溫；在增壓器和中冷器之間引入一套電動(dòng)針閥裝置測量氫氣流量，目的是為了氫氣和空氣進(jìn)行充分的混合。圖1示出臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)采用FloScan 236C流量計(jì)測量柴油質(zhì)量流量；采用Rosemount NGA2000發(fā)動(dòng)機(jī)排放分析儀測量廢氣中NOx、CO、HC、CO2和O2的濃度：NOx和O2的濃度采用電化學(xué)方法測量，測量精度分別為1×10-6和0.01%；HC濃度測量采用氫火焰離子化檢測器，測量精度1×10-6；CO和CO2的體積分?jǐn)?shù)采用不分光紅外線氣體分析儀，測量精度分別為0.01%和0.1%；采用AVL415SE煙度計(jì)測量廢氣的不透光度，測量精度為0.1%。

1—壓力調(diào)節(jié)器；2—節(jié)流閥；3—熱交換器；4—?dú)錃赓|(zhì)量流量計(jì)；5—電動(dòng)針閥；6—中冷器；7—渦輪增壓器；8—空氣流量計(jì)；9—AVL415煙度計(jì)；10—轉(zhuǎn)速顯示器；11—機(jī)油壓力顯示器；12—扭矩顯示器；13—水溫顯示器；14—油溫顯示器；15—功率顯示器；16—缸壓傳感器。

1.2 試驗(yàn)方案

在固定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下以穩(wěn)定工況進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，測試轉(zhuǎn)速分別為1 400 r/min、1 600 r/min、1 900 r/min和2 300 r/min，選擇5種常用工況，負(fù)荷分別為30%，50%，60%，75%和90%。試驗(yàn)過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)通常不會(huì)在低轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷下工作，因此舍棄1 400 r/min，75%和90%負(fù)荷工況點(diǎn)以及1 600 r/min，90%負(fù)荷工況點(diǎn)。臺(tái)架試驗(yàn)分別在原機(jī)和預(yù)混氫氣兩種模式下進(jìn)行對比和分析。原機(jī)試驗(yàn)過程中不改變噴油正時(shí)；預(yù)混氫氣模式下，氫氣替代率持續(xù)增加，直到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出爆震指示，停止噴入氫氣，調(diào)整轉(zhuǎn)速和負(fù)荷穩(wěn)定后關(guān)閉氫氣流量計(jì)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)工況點(diǎn)在相同條件下重復(fù)測試3次，取3次測量的平均值作為最終數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 爆震極限時(shí)預(yù)混氫氣對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

在預(yù)混氫氣模式下，保持發(fā)動(dòng)機(jī)功率不變，通過發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM)減少柴油的噴入量來調(diào)整氫氣的噴入量，氫氣替代率的計(jì)算公式為

(1)

發(fā)動(dòng)機(jī)爆震極限時(shí)氫氣的最大替代率如圖2所示。從圖中可知，在4種不同的轉(zhuǎn)速下，氫氣替代率均隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而減小，氫氣的噴入量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大。這是由于氫氣替代率的增加促進(jìn)了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，在爆震極限設(shè)置氫氣替代率的對應(yīng)閾值，保證較低負(fù)荷下有較大的氫氣噴入量。在2 300 r/min，30%負(fù)荷工況，氫氣替代率達(dá)到最大，為83%；轉(zhuǎn)速1 600 r/min和1 900 r/min工況下，氫氣替代率的曲線趨于一致。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)爆震極限時(shí)氫氣最大替代率

熱效率是評價(jià)柴油機(jī)燃燒性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。試驗(yàn)條件相同下，發(fā)動(dòng)機(jī)效率越高，氣缸峰值壓力越高，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩越大，整車加速性能也越好。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，熱效率隨負(fù)荷的增加而增加(見圖3)，這與文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果相反，原因是以往研究中噴油正時(shí)固定，而本研究噴油正時(shí)由ECM實(shí)時(shí)改變，隨著噴油正時(shí)的推遲，發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)內(nèi)所做的功減少，導(dǎo)致熱效率較低。預(yù)混氫氣相比原機(jī)狀態(tài)下熱效率提高1.4%～7.7%。預(yù)混氫氣模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率隨著負(fù)荷增加而提高，這是由于氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤瑢?dǎo)致燃燒速率加快，縮短了熱量傳遞到氣缸壁的時(shí)間，另外相比同等質(zhì)量分?jǐn)?shù)的柴油，氫氣的熱值更高，導(dǎo)致缸內(nèi)峰值壓力更高，向外做功能力提高。

圖3 原機(jī)與預(yù)混氫柴油機(jī)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率

2.2 爆震極限時(shí)預(yù)混氫氣對燃燒性能的影響

試驗(yàn)過程中噴入氫氣，直到發(fā)動(dòng)機(jī)開始喘振，此時(shí)即為發(fā)動(dòng)機(jī)爆震極限的閾值，數(shù)據(jù)分析中以F代表原機(jī)，H代表預(yù)混氫氣柴油機(jī)，字母后面數(shù)字代表發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷百分比。

圖4表明，預(yù)混氫柴油機(jī)相比原機(jī)缸內(nèi)壓力發(fā)生顯著變化，預(yù)混氫柴油模式下，缸內(nèi)壓力在燃燒起始之前隨著負(fù)荷的增加而上升，在負(fù)荷為50%和60%時(shí)，峰值壓力出現(xiàn)在9°ATDC 和11°ATDC處，預(yù)混氫柴油機(jī)相比原機(jī)缸內(nèi)峰值壓力分別提高了39.6%和28.4%。這是由于氫氣的高燃燒速率使缸內(nèi)燃油和空氣混合后快速釋放能量，縮短了滯燃期和燃燒持續(xù)期；另外相同質(zhì)量占比的氫氣熱值高于柴油，因此缸壓峰值明顯提高。在30%負(fù)荷下，峰值壓力下降，這是由于隨著氫氣的噴入，ECM自動(dòng)減少柴油噴射量，使燃燒室內(nèi)壓燃變得較為困難，不利于火焰的傳播。

圖4 1 400 r/min時(shí)缸內(nèi)壓力變化

圖5表明，在轉(zhuǎn)速為1 600 r/min的原機(jī)模式下，峰值壓力出現(xiàn)在TDC附近；預(yù)混氫柴油機(jī)模式相比原機(jī)缸壓峰值有所提升，缸內(nèi)最高燃燒壓力相位向后延遲，在負(fù)荷50%，60%和75%時(shí)，峰值壓力出現(xiàn)在8.4°ATDC，8.9°ATDC和9.1°ATDC，相比原機(jī)分別增加了30.7%，20.8%和11.9%。壓力升高率是反映燃燒速率的快慢程度，圖5中4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下，預(yù)混氫柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力升高率均有所降低，這是由于噴入的氫氣取代一部分空氣，壓縮機(jī)內(nèi)的空氣流量減小，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力升高率下降。

圖5 1 600 r/min時(shí)缸內(nèi)壓力變化

圖6表明，轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時(shí)，在負(fù)荷50%，60%，75%和90%下，混氫柴油機(jī)峰值壓力出現(xiàn)在7.3°ATDC，8.9°ATDC，6.3°ATDC和7.1°ATDC處，相比原機(jī)分別增加了31.1%，12.4%，6.7%和8.2%。同時(shí)，隨著氫氣替代率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力壓升幅值降低了，低負(fù)荷相比高負(fù)荷狀態(tài)壓升降低幅度較小，使得低負(fù)荷的峰值壓力比高負(fù)荷的峰值壓力增幅更大。原機(jī)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速為1 900 r/min與1 600 r/min時(shí)峰值壓力相似，氫氣的噴入使得混合氣在TDC后開始燃燒，缸壓峰值均超過原機(jī)模式，這是由于在預(yù)混合柴油機(jī)模式下，噴入氫氣后火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，提高了燃油的擴(kuò)散燃燒速度。

圖6 1 900 r/min時(shí)缸內(nèi)壓力變化

圖7表明，轉(zhuǎn)速為2 300 r/min時(shí)缸內(nèi)壓力與1 600 r/min和1 900 r/min有所不同。預(yù)混氫柴油機(jī)在負(fù)荷50%，60%，75%和90%時(shí)，峰值壓力出現(xiàn)在6.8°ATDC，9.0°ATDC，7.5°ATDC和6.9°ATDC，相比原機(jī)分別增加了21.6%，10.2%，-4.8%和-0.4%。峰值壓力隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷先降低后增加，分界點(diǎn)在負(fù)荷75%處。這是由于噴入氫氣降低了柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)及空燃比，提高了氣缸內(nèi)的混合氣濃度。

圖7 2 300 r/min時(shí)缸內(nèi)壓力變化

為了優(yōu)化爆震燃燒過程，噴入氫氣時(shí)，允許改變發(fā)動(dòng)機(jī)的主噴時(shí)刻。由圖8可見，預(yù)混氫柴油機(jī)較原機(jī)的噴油正時(shí)提前，預(yù)混氫柴油機(jī)狀態(tài)下噴油正時(shí)呈線性分布。這是由于隨著噴油正時(shí)的提前，燃燒的滯燃期延長，油氣混合更加充分，使得預(yù)混氫柴油機(jī)缸內(nèi)壓力和壓力升高率升高較多，但功率增加不多[16]。預(yù)混氫柴油機(jī)模式下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，主噴噴油正時(shí)出現(xiàn)不斷延遲現(xiàn)象。這是由于隨著氫氣替代率的增加，柴油燃油變化量較小，使得氫氣柴油混合氣濃度增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌臁＞C上所述，噴油正時(shí)的確定對預(yù)混氫柴油機(jī)非常關(guān)鍵。

圖8 原機(jī)與混氫柴油機(jī)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油正時(shí)

2.3 爆震極限時(shí)預(yù)混氫氣對排放性能的影響

使用氫氣作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，NOx排放通常會(huì)增加[17-19]。這是由于氫氣燃燒溫度較高，通過熱生成機(jī)制導(dǎo)致NOx排放增加。圖9表明，在1 600 r/min，1 900 r/min和2 300 r/min的最大負(fù)荷工況，預(yù)混氫柴油機(jī)模式的NOx排放接近原機(jī)模式，分別增加了19.6%，-2%和28.2%；在負(fù)荷為50%工況，NOx排放最高，分別增加了134%，206%和248%；在負(fù)荷為30%工況，混氫燃燒有降低NOx排放的作用，這是由于噴入的氫氣具有高擴(kuò)散性，降低了燃燒室內(nèi)油氣局部濃度過高的情況，促使油氣混合更加均勻，但是隨著混氫替代率的增加，缸內(nèi)混合氣空燃比較小，缸內(nèi)燃燒溫度提高，導(dǎo)致NOx排放增加。在原機(jī)各工況下，NOx排放相對穩(wěn)定，隨著轉(zhuǎn)速的提高而減少。在預(yù)混氫柴油機(jī)模式下，NOx排放在中高負(fù)荷工況隨著負(fù)荷的增加而降低，這是由于噴入的氫氣使得缸內(nèi)混合氣濃度達(dá)到化學(xué)計(jì)量比，滯燃期縮短，NOx在缸內(nèi)的停留時(shí)間縮短，相應(yīng)生成量也會(huì)降低。

圖9 原機(jī)與混氫柴油機(jī)模式下NOx排放

柴油機(jī)降低NOx排放的主要策略之一是采用SCR技術(shù)。圖10示出不同負(fù)荷下 NO2與NOx排放比值，NO2與NOx比值增大可以顯著降低NOx排放，比值范圍0.4～0.6為降低NOx排放的最佳條件[20]。在原機(jī)狀態(tài)下，NO2與NOx比值從低負(fù)荷的0.57降到高負(fù)荷的0.3；隨著噴入氫氣的增加，NO2與NOx比值達(dá)到0.4～0.6，這將有利于在預(yù)混氫柴油模式下使用SCR系統(tǒng)來減少NOx的排放。

圖10 原機(jī)與混氫柴油機(jī)模式下NO2與NOx排放比值

圖11表明，預(yù)混柴油機(jī)模式下氫氣的噴入可以有效降低CO2排放，30%負(fù)荷下CO2排放接近零，但是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定。這是由于氫氣作為燃料不含HC分子，部分柴油被氫氣取代，有效地降低了燃油中C/H比。CO2排放量隨負(fù)荷的增加而增加，這是由于隨著功率增加，氫氣的高自燃溫度使得噴油正時(shí)提前，缸內(nèi)含碳排放物有足夠時(shí)間被氧化，需要更多的燃料產(chǎn)生更高的負(fù)荷，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，從而導(dǎo)致CO2排放進(jìn)一步升高。

圖11 原機(jī)與預(yù)混氫柴油機(jī)模式下CO2排放

圖12示出不同負(fù)荷下CO排放隨轉(zhuǎn)速的變化。在負(fù)荷為60%及以下工況時(shí)，預(yù)混氫柴油機(jī)CO排放量較原機(jī)顯著降低。這是由于中低負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)供氧不足，油氣混合燃燒不均勻，而噴入氫氣加快了火焰燃燒速度，擴(kuò)大了燃燒范圍，抑制了缺氧情況的存在，加速了氧化反應(yīng)，缸內(nèi)燃燒得到改善。另外，氫氣在燃燒過程中反應(yīng)生成水蒸氣，在一定程度上降低了CO排放。負(fù)荷為75%和90%時(shí)，氫氣的噴入導(dǎo)致CO排放增加。這是由于氫氣的增加導(dǎo)致燃料熱值逐漸增加，局部燃燒不充分，使得不完全燃燒產(chǎn)物CO逐漸增加。

圖12 原機(jī)與混氫柴油機(jī)模式下CO排放

圖13表明，噴入氫氣后HC排放量減少，這是因?yàn)闅錃獾娜紵匦蕴岣吡嘶鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?，預(yù)混燃燒徹底，改善了燃燒質(zhì)量，提高了缸溫。另外，氫氣的噴入取代部分柴油，加速缸內(nèi)的擴(kuò)散燃燒，降低燃燒室激冷層容積，從而降低HC排放量。中高負(fù)荷工況下，隨著負(fù)荷增加，HC排放量升高，這是由于隨著氫氣替代率及負(fù)荷的不斷增加，氫氣燃燒也要消耗空氣，從而降低過量空氣系數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高以增加柴油消耗為代價(jià)，噴到氣缸壁的柴油增加，影響柴油蒸發(fā)、混合，導(dǎo)致部分柴油未能完全燃燒，HC排放量上升。但預(yù)混氫柴油機(jī)的HC排放值總體趨勢小于原機(jī)。

圖13 原機(jī)與混氫柴油機(jī)模式下HC排放

圖14示出不同轉(zhuǎn)速下炭煙排放隨負(fù)荷的變化。由圖中可知，加入氫氣后柴油機(jī)的波許煙度值在各負(fù)荷下相對原機(jī)均呈下降趨勢。在中低負(fù)荷下，波許煙度值增加緩慢，這是由于柴油的循環(huán)噴油量較少，缸內(nèi)含氧較多，燃燒充分，表現(xiàn)為富氧燃燒，從而炭煙排放量較低。在負(fù)荷50%以上時(shí)，氫氣對炭煙的抑制作用尤為顯著，最大降低幅度為57.8%。這是由于隨著氫氣的加入提高了缸內(nèi)火焰的傳播速度，加速了缸內(nèi)燃燒過程，從而降低了炭煙排放。

圖14 原機(jī)與混氫柴油機(jī)模式下炭煙排放特性

3 結(jié)論

a)在負(fù)荷為50%的標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，氫氣最大置換率達(dá)83%；隨著負(fù)荷的增加，氫氣替代率減少；氫氣的噴入加速并改善了燃燒進(jìn)程，提高了各工況點(diǎn)的熱效率，與原機(jī)相比增加顯著；

b)預(yù)混氫氣縮短了速燃期及燃燒持續(xù)期，噴油正時(shí)提前，缸內(nèi)壓力峰值明顯提高；

c)預(yù)混氫柴油機(jī)模式下，CO，CO2，HC和炭煙排放量均減小，NOx排放量最大增加248%，氫氣的噴入提高了NO2與NOx排放比值，有利于SCR效率的提高。