直噴氫氣發動機近零排放的試驗研究

楊敬江，黃昭明，沈國清，陳敬玉

(1.杭州職業技術學院，浙江 杭州 310018；2.皖江工學院，安徽 馬鞍山 243031；3.吉利汽車有限公司，浙江 杭州 311202)

氫氣作為一種能源，來源豐富、清潔零碳，且質量低熱值高、燃燒時火焰傳播迅速、抗暴性好，是一種優良的點燃式內燃機的替代燃料。隨著2020年中國提出“2030年碳達峰”、“2060年碳中和”的雙碳戰略目標，氫能正成為21世紀車用動力系統最具有發展潛力的零碳排放能源之一。在現有車用發動機基礎上，僅需重新布置設計氫氣存儲及噴射系統、匹配冷型火花塞，就可以實現氫發動機的應用，因此氫發動機是推動傳統發動機技術升級轉型的重要技術方向。

氫氣發動機燃燒后的排放物主要有HC、CO、NO、HO等4種，其中HC、CO這2種污染排放物主要是發動機機油燃燒造成的，其濃度一般在20×10以下。而NO則是氫發動機的主要污染物排放，由氮氣與氧氣在缸內高溫環境下通過5步反應生成。與傳統發動機相比，氫氣發動機的缸內中心燃燒溫度更高，NO排放最高可達到10，必須從合理組織燃燒角度加以控制。國外的相關研究表明，氫氣缸內直噴發動機NO排放與過量空氣系數存在緊密關系：當大于2.5時，NO排放接近0，隨著減小，NO排放先快速增加后逐漸降低；寶馬公司在氫氣發動機上實現了變的燃燒模式，小負荷采用大于2的稀燃方式，中大負荷采用小于1的濃燃方式，并結合三效后處理系統成功將NO排放控制在極低水平；美國阿貢實驗室在一臺搭載了6.0 L直噴內燃機輕型卡車上采用超稀薄燃燒方式，實現了0.5 mg/km的極低NO排放。國內方面，包凌志等人對直噴內燃機進行了NO近零排放的試驗研究，在少量犧牲熱效率和燃燒穩定性的前提下降低NO原排至20×10。

綜合上述氫氣發動機污染物排放控制的研究背景，擬基于一臺汽油進氣道噴射原型發動機，設計開發氫氣缸內直噴系統，布置噴嘴并重新加工進氣歧管，加裝電子增壓器，試驗研究直噴氫發動機在不同下的NO排放特性，同時對比稀薄燃燒極限下不同活塞環張力的HC、CO排放，以探索氫氣直噴發動機實現近零排放的技術路線，為氫氣發動機的應用提供指導和參考。

1 試驗對象及試驗體系

1.1 試驗對象

本研究在一款1.5 L廢氣渦輪增壓中冷進氣道噴射汽油機上，保持發動機本體、外圍附件及燃燒系統不變，布置氫氣缸內直噴系統，并重新設計進氣歧管，搭建了氫氣發動機試驗樣機。樣機采用鋁合金缸體缸蓋、鋁合金進氣歧管，4氣門雙頂置凸輪配氣機構，其主要技術及結構參數見表1。氫氣缸內直噴系統主要布置工作包括：在原機缸蓋上加工氫氣噴嘴安裝孔道，以安裝外開式噴氫器，布置氫氣供給軌道，優選冷型火花塞，并重新加工鋁合金進氣歧管總成，同時在進氣系統中加裝博格華納生產的電子增壓器，其技術參數如表2。

表1 發動機主要技術及結構參數

表2 電子增壓器的基本性能參數

為控制氫氣噴嘴在發動機上的噴射脈寬、噴射正時和噴射壓力，設計了氫氣噴射控制系統，主要由汽油機原ECU控制單元、信號控制發生器、氫氣噴嘴執行控制模塊以及CAN線構成，架構示意圖見圖1。信號控制器模塊讀取發動機原機ECU的曲軸位置、凸輪軸位置以及原汽油噴射器等相關信號，解析出氫噴嘴的噴射正時、噴射壓力和噴射脈寬信息，通過CAN線輸入到氫噴嘴執行器模塊，控制氫氣噴嘴的閥門開啟，最終實現缸內氫氣噴射可控的目標。本試驗中，氫氣經過兩級減壓后，使氫氣軌的壓力保持為1.5 MPa，為避免氫氣在歧管內發生后回火，同時兼顧氫氣與空氣的混合均勻度，氫氣噴射始點SOI為壓縮上止點前130°～200°，且噴射脈寬控制在0.7～6 ms。

圖1 氫氣噴射控制架構示意

1.2 試驗體系

氫氣發動機臺架試驗測控系統主要設備包括奧地利AVL PUMA控制系統、曲軸編碼器、燃燒分析儀、進氣溫控系統、機油溫控系統、冷卻水溫控制系統，所搭建的臺架測試系統示意見圖2。采用RHEONIK氫氣流量計與熱線式空氣流量計測量氫氣發動機不同運行工況下的氫耗量和新鮮空氣進氣量；采用kistler打孔式缸壓傳感器采集缸內的瞬態壓力，排放分析儀為HORIBA MEXA-7400。試驗系統主要儀器設備見表3。

圖2 氫氣發動機測控臺架

表3 試驗系統主要儀器設備

為探索研究不同下的氫氣缸內直噴燃燒過程和HC、CO、NO的排放特性，進行了不同工況、不同下的3種氣體排放物測試。此外，為進一步降低氫發動機由于機油消耗帶來的HC、CO排放問題，選取兩組不同張力參數的活塞環組，分別測試不同運行工況下的HC、CO排放。兩組不同活塞環組的參數見表4。

表4 活塞環組參數

由于原機增壓器的增壓能力有限，為了明晰不同負荷極限稀薄燃燒下的NO排放特性，試驗時采用在進氣系統中串聯電子增壓器增強增壓能力的方式，探索中高轉速、中大負荷下的稀燃極限，以期實現NO的近零排放，同時對比分析了氫氣發動機與汽油機原機的外特性。試驗中缸內平均有效壓力(BMEP)循環變動率CoV控制在3%，增壓中冷后的進氣溫度控制為(35±2) ℃，發動機冷卻系統水溫、機油溫度控制為(85±2) ℃，試驗環境溫度和環境壓力分別為25 ℃和0.1 MPa。同時，規定噴入缸內燃料完全燃燒50%質量分數時的發動機曲軸轉角為燃燒相位，即MFB50(Mass Fraction Burning 50%，MFB50)，規定噴入缸內燃料完全燃燒質量分數從10%到90%轉過的曲軸角度為燃燒持續期，即MFB10-90(Mass Fraction Burning 10%～90%，MFB10-90)，以研究氫氣直噴發動機的燃燒特性。

2 試驗結果與分析

2.1 汽油原機與氫發動機外特性對比

進行了汽油原機改裝成氫發動機后的外特性試驗，分別取氫氣、汽油的低熱值為120 MJ/kg與42.5 MJ/kg，計算了氫氣發動機折合汽油當量燃油消耗量，試驗結果見圖3和圖4。

圖3 氫發動機與汽油原機外特性對比

圖4 氫發動機與汽油機原機經濟性對比

由3可以看出，試驗用的氫發動機功率和外特性扭矩低于汽油原機，這主要是由于電子增壓器進氣流量的限制。分析認為，良好的增壓匹配和燃燒組織可以提升氫發動機外特性至原機水平。圖4的結果表明，氫氣發動機在試驗工況范圍的能耗大大低于汽油機，當量燃油消耗率下降幅度超過30%，燃氣消耗率在70～80 g/(kW·h)之間，具有優越的經濟性能。

2.2 2 000 r/min 不同負荷下NOx排放性能

氫氣發動機運轉在2 000 r/min，平均有效壓力BMEP在0.2 MPa和0.8 MPa時，進行了不同過量空氣系數下氫氣發動機的NO排放試驗對比研究，試驗結果見圖5。由于原機增壓器的增壓能力有限，因此2 000 r/min@0.8 MPa運行時，大于1.8后，電子增壓器開始工作，以達到理想的過量空氣系數。圖6和圖7分別示出0.2 MPa和0.8 MPa不同負荷運行時氫氣發動機的燃燒特性。

圖5 2 000 r/min不同負荷和空燃比下NOx排放

圖6 2 000 r/min@0.2 MPa時不同λ下燃燒特性

圖7 2 000 r/min@0.8 MPa時不同λ下燃燒特性

從圖5可以知道，氫氣具有良好的超稀薄燃燒特性，稀薄燃燒的過量空氣系數可以達到3；試驗中NO排放量的峰值出現在為1.1附近，大于2.8后，NO排放接近0。在0.2 MPa的低負荷運行時，通過調整點火提前角可使不同過量空氣系數下燃燒相位始終保持在上止點后8°的最優位置，且燃燒持續期MFB10-90在20°曲軸轉角范圍內，實現了性能優越的燃燒輸出(見圖6)；隨著負荷的增加，氫燃料化學計量空燃比燃燒時，為抑制高溫帶來的爆震傾向，點火提前角推遲到了上止點后6°，此時的MFB50為上止點后14.88°，相比最優燃燒相位略微推后，但隨著稀燃程度的加深，0.8 MPa的燃燒相位在約為1.8時回到了8°附近，取得了較好的燃燒效果(見圖7)。

分析認為，由于氫氣屬于氣體燃料、分子小，且層流火焰傳播速度是汽油的6倍左右，在空氣中有寬廣的燃燒濃稀限，所以在發動機上實現了大于3的超稀薄燃燒。稀薄燃燒提升了缸內工質多變指數、降低了最高燃燒溫度、減少了傳熱損失，保持了良好的燃燒特性。NO污染物的生成條件為高溫、富氧和高溫持續時間，當為1.1時，此時缸內燃燒溫度高，氧氛圍充足，NO排放出現峰值；而大于2.7后，缸內燃燒溫度降低到了1 900 K以下， NO無法生成，因此NO排放接近0。0.8 MPa負荷與0.2 MPa的排放趨勢一致，峰值排放出現在為1.1附近，由于負荷增大和缸內氫氣中心燃燒溫度較高，NO排放較高，約為10 000×10；而當為1.72時，廢氣渦輪增壓器放氣閥已完全關閉，增壓器能力處于極限狀態，此時NO排放為4 233×10，大大高于常規燃油發動機水平；電動增壓器開始工作后，0.8 MPa負荷的稀薄燃燒極限進一步拓展，同樣當大于2.7后，NO排放接近0。

2.3 稀薄燃燒極限下的NOx排放

從第2.1節可以知道，氫氣可在發動機上實現達到3的超稀薄混合氣燃用，燃燒特性穩定，有利于氫氣發動機萬有特性全MAP NO排放的降低，同時電子增壓器的加裝較大幅度拓展了新鮮充量泵入能力，有利于NO排放的進一步降低。為此，進行了轉速1 000～3 500 r/min，負荷0.1～1.4 MPa的萬有特性NO排放試驗，結果如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，在試驗的萬有特性MAP內，電增壓工作時在大部分工況達到3的理想水平，由于電子增壓器流量的限制，隨著負荷和轉速的升高，功率增大導致進氣需求量持續增大，逐漸下降，在3 000 r/min@1.4 MPa時，接近2，此時NO排放量超過了900×10(見圖9)；當大于2.7后，NO排放處于10×10以下，而當值在3附近時，NO排放為0～5×10，處于近零排放水平。

圖8 不同轉速和負荷工況下的λ極值

圖9 稀燃極限下的NOx排放特性

2.4 稀薄燃燒極限下的HC、CO排放

氫氣不含碳元素，從理論上講氫氣發動機尾氣不含HC、CO等有害污染物，但發動機運轉過程中存在潤滑油消耗，因此會有少量的HC、CO排放物。發動機活塞環是影響機油消耗的重要零部件，因此進行了電增壓處于工作狀態、稀燃極限、不同活塞環張力下的氫氣發動機HC、CO排放試驗，試驗結果見圖10至圖13。

圖10 稀燃極限下的HC排放特性(活塞環組1)

圖11 稀燃極限下的HC排放特性(活塞環組2)

圖12 稀燃極限下的CO排放特性(活塞環組1)

圖13 稀燃極限下的CO排放特性(活塞環組2)

圖10至圖13的試驗結果表明，兩組不同張力活塞環組的HC、CO都呈現出近似的總體變化規律，高轉速、高負荷時排放較高，低轉速時排放較低；相比于低張力活塞環組1，高張力活塞環組2的HC、CO排放較低，在5×10以下，接近零排放水平。分析認為，氫氣發動機轉速負荷較低時，活塞、缸套變形小，活塞環收集缸壁潤滑油的效果好，同時缸內最高燃燒壓力低，燃燒室邊界覆膜層不容易被破壞，這些因素共同導致低速低負荷時HC、CO排放較少；而高轉速高負荷時缸內燃燒溫度高、最高燃燒壓力大，同時發動機本體變形相對變大，機油消耗增多，造成HC、CO排放略高。高張力活塞環組2與缸內的配合更緊密，收集機油的效果更好，因此機油消耗量會下降，進而使氫氣發動機的HC、CO接近零排放。

綜合上述分析可以知道，稀薄燃燒程度決定了氫氣發動機NO排放水平，當在3附近時，缸內稀釋程度大，火焰中心燃燒溫度大幅下降，氮氧化合生成NO的條件被破壞，NO污染物的生成被有效抑制；同時通過優化活塞環組張力，控制減少機油消耗，能大幅降低HC、CO排放水平。

3 結論

a) 在試驗的工況范圍內，相比于汽油原機，氫發動機具有優越的經濟性，折合汽油當量燃油消耗率下降超30%；

b) 過量空氣系數以及負荷對氫氣發動機NO排放量有較大影響，在2 000 r/min下，氫氣發動機運行于0.2 MPa和0.8 MPa時，NO峰值排放量均出現在約1.1時，且負荷越高，峰值排放量越大，但通過加深稀薄燃燒程度，可以有效降低NO排放；

c) 氫氣發動機具有良好的超稀薄燃燒性能，電動增壓器能有效拓展氫氣發動機的稀燃極限，過量空氣系數最高可達到3以上；在試驗的工況范圍內，當大于2.7時，NO排放低于10×10，接近零排放水平；

d) 氫氣不含碳元素，含碳氣體污染物排放處于較低水平，通過優化增大活塞環組張力，可有效降低HC、CO的排放到5×10以下，達到近零排放水平。