噴射策略對氫內燃機性能的影響

摘要：為了響應國家“碳達峰，碳中和”號召，實現“零碳排放”，選擇氫氣發(fā)動機作為碳中和的關鍵技術路線。為了快速實現內燃機燃燒氫氣的相關試驗研究，在汽油發(fā)動機的基礎上，采用缸內直噴的氫氣噴射方案，在1.5 L發(fā)動機上進行直噴氫氣詳細測試，對比了汽油和氫氣燃料對發(fā)動機性能和油耗的影響；并在氫氣直噴狀態(tài)下，研究了不同氫氣噴射參數，包括氫氣噴射相位、氫氣噴射壓力和不同氫氣噴嘴流量對氫氣發(fā)動機熱效率和NO排放的影響規(guī)律，為后續(xù)的氫氣發(fā)動機開發(fā)奠定了基礎。

關鍵詞：氫氣發(fā)動機；熱效率；噴射相位；噴射壓力；噴嘴流量；氮氧化物

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.007

中圖分類號：TK463 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2024）05-0049-06

隨著社會的快速發(fā)展，全球各國都開始重視人類賴以生存的環(huán)境和氣候問題，降低碳排放成為了大家的共識。中國針對日益嚴峻的環(huán)境問題，也采取了積極的措施，并承諾“二氧化碳排放力爭在2030年前達峰， 2060年前實現碳中和”。為了減少內燃機對環(huán)境的影響，必須探索新的“綠色燃料”，保證內燃機在較小的環(huán)境影響下具有良好的性能。

氫氣作為重要的能量載體，其生產方式是多種多樣的，主要包括蒸汽重整、氣化以及化學或生物過程^［1］。氫氣是零碳燃料，燃燒產物主要是水。由可再生能源生產的氫氣，通常稱之為“綠氫”。

內燃機可以使用氫氣作為燃料，氫氣發(fā)動機的歷史已有200多年^［2］，最早可以追溯到19世紀初。在很長一段時間內受限于氫氣燃料噴射技術、增壓技術以及液態(tài)儲氫技術不成熟，加之氫氣發(fā)動機的效率低，大多數公司中途放棄了氫發(fā)動機的開發(fā)。在20世紀70年代到90年代之間，寶馬和馬自達開始開發(fā)商用氫動力車輛。氫氣發(fā)動機在20世紀取得了重大進展，在現有發(fā)動機系統(tǒng)零部件基礎上實現了氫氣燃燒^［3］。在21世紀，隨著許多新車型的開發(fā)，人們對新類型的汽車越來越感興趣^［4-7］。

近些年國內高校和主機廠關于氫氣發(fā)動機應用研究的熱度逐漸增加。北京理工大學孫柏剛團隊與國內多家企業(yè)合作，開發(fā)了氫氣內燃機的演示樣車^［8］。吉利汽車公司開發(fā)的第一代氫氣發(fā)動機經過試驗驗證，實現了44.1%的有效熱效率^［9］，目前已完成第二代氫氣發(fā)動機的開發(fā)，最高有效熱效率超過46%。本研究將重點分析在44.1%熱效率開發(fā)過程中發(fā)現的氫氣噴射策略對發(fā)動機性能的影響規(guī)律。

氫燃料作為內燃機和汽車產業(yè)實現“碳達峰和碳中和”目標的重要技術路線，是各主機廠應有的技術儲備，雖然目前距離車用氫能的產業(yè)化還需要一定的時間，但針對氫燃料在發(fā)動機上的開發(fā)和應用具有非常重要的意義。本研究通過在基礎汽油發(fā)動機上改燒氫氣，試驗研究氣道噴射和缸內直噴兩種不同的噴射方式對氫氣發(fā)動機性能和排放的影響。

1 氫氣發(fā)動機介紹

1.1 氫氣特性

氫氣和汽油作為發(fā)動機的燃料，特性對比如表1所示。與汽油相比，氫氣辛烷值更高，具有更好的抗爆性，可以在汽油機的基礎上提高幾何壓縮比。由于氫氣的分子擴散率更高，活化能更低，氫氣能在4%～75%的空氣體積燃燒，具有良好的稀燃特性^［10］。氫氣的層流火焰燃燒速度為汽油的4～5倍^［11］，燃燒速度更快。

氫氣作為替代燃料在內燃機上應用，可沿用現有內燃機的系統(tǒng)結構，只需要對燃油供給系統(tǒng)進行針對性的改裝，以適應氫氣的存儲和供給。氫氣在內燃機上的供給方式主要包括外部混合和內部混合，不同噴射方式的特點如表2所示。

1.2 氫氣發(fā)動機改裝

為了進一步提升氫氣發(fā)動機的熱效率和功率、扭矩，在一款基礎熱效率較高的1.5 L直噴增壓汽油發(fā)動機的基礎上改制氫氣缸內直噴方案。基礎發(fā)動機參數如表3所示。

用于氫氣缸內直噴的氫氣噴嘴有兩種形式，一種是類似汽油噴油器的改制款HDEV6，另一種是壓電式氫氣噴嘴。其中HDEV6氫氣噴嘴和噴油器尺寸相同，無需改動發(fā)動機缸蓋。壓電式氫氣噴嘴結構尺寸和噴油器差異較大，需要對缸蓋進行結構變更。同時由于噴嘴的驅動電壓更高，需要外掛控制器來驅動氫氣噴嘴，外掛控制器從ECU取轉速、正時等信號，通過CAN和ECU通信，同步控制壓電式氫氣噴嘴。兩種氫氣噴嘴的控制方式見圖1。

2 氫氣試驗臺架及設備

直噴氫氣發(fā)動機試驗臺架為專用氫氣發(fā)動機臺架，測量設備參數見表4。發(fā)動機轉速和扭矩通過湘儀FC2000測控系統(tǒng)測量，FC2490T1外部中冷設備用于控制進氣溫度，FC2430T機油恒溫裝置用于控制機油溫度，空燃比通過空氣流量計ToCeiL-20N080和氫氣流量計RHEONIK RHM015L計算獲得，缸內壓力通過KISTLER 6045A測量，燃燒分析儀型號為KIBOX 2893，NO排放通過HORRIBA FTX-ONE-CS測量。氫氣缸內直噴發(fā)動機臺架布置如圖2所示。

3 試驗測試及結果分析

3.1 缸內直噴發(fā)動機性能

汽油直噴性能測試方法為，在發(fā)動機轉速1 000～5 500 r/min范圍，節(jié)氣門全開，調整發(fā)動機轉速，間隔500 r/min，在當量比條件下，測試各個轉速工況點所能達到的最大扭矩、功率。測試結果如圖3所示，發(fā)動機在2 500～4 000 r/min轉速范圍內均能達到最大扭矩215 N·m，4 000 r/min時最大功率為90 kW。更換氫氣燃料，稀燃條件下，測試各個轉速工況點所能達到的最大扭矩、功率。氫氣直噴的噴射方式能達到汽油發(fā)動機的外特性扭矩水平，4 000 r/min時最大功率下降，主要是受到早燃限制。由于轉速高于4 000 r/min時發(fā)動機早燃嚴重，考慮到發(fā)動機的安全性，試驗時將轉速控制在4 000 r/min以下。

圖4示出了外特性工況的有效熱效率和過量空氣系數。氫氣發(fā)動機在外特性工況均能實現稀薄燃燒，效率比原汽油機更有優(yōu)勢。

氫氣直噴方案測試過程中，除了對發(fā)動機硬件方案進行選型，同時也對直噴氫氣燃料的供給策略，包括氫氣噴射相位、氫氣噴射壓力和氫氣噴嘴流量變化對氫氣發(fā)動機性能的影響進行了詳細的測試研究，總結形成了氫氣發(fā)動機特有的燃燒規(guī)律。

3.2 噴氫相位對發(fā)動機性能的影響

為了探究氫氣噴射相位對發(fā)動機性能的影響，試驗選擇相同氫氣噴嘴，固定氫氣噴射壓力10 MPa，發(fā)動機轉速2 500 r/min，過量空氣系數?=2.3，控制發(fā)動機平均有效壓力（BMEP）分別為0.2，0.6，1 MPa，在不同負荷下改變氫氣噴射相位，測試記錄不同氫氣噴射相位對應的試驗結果。EOI代表氫氣噴射結束時刻。

有效熱效率測試結果如圖5所示。三種不同負荷條件下，隨著氫氣噴射結束時刻接近上止點，有效熱效率逐漸升高。但氫氣噴射結束時刻晚于-30°之后，NO排放急劇升高。以BMEP=1 MPa工況測試為例，如圖6所示，EOI從-125°推遲到-25°，熱效率從40.87%升高到42.45%，NO排放量從342×10^-6升高到634×10^-6。

圖7示出BMEP=1 MPa條件下不同噴氫相位所對應的缸內壓力。對比缸壓數據可以發(fā)現，氫氣噴射結束時刻越靠近上止點，進入缸內的高壓氫氣參與混合氣壓縮的時間越短，壓縮過程中的壓縮壓力越低，壓縮負功越小，這是氫氣晚噴可提升發(fā)動機熱效率的原因之一。

圖8示出BMEP=1 MPa負荷條件下不同噴氫相位對應的放熱率。由圖可知，放熱率呈現先快后慢的趨勢，氫氣噴射結束時刻越靠近上止點，從點火時刻到累計放熱量達到50%的速度越快，燃燒等容度更高，效率更高，這是氫氣晚噴熱效率高的重要原因。但氫氣噴射時刻太晚，氫氣和空氣混合時間縮短，會形成分層燃燒，氣缸內局部濃區(qū)增加，可能是造成NO排放急劇增加的原因。

3.3 噴氫壓力對發(fā)動機性能的影響

為了探究氫氣噴射壓力對發(fā)動機性能的影響，試驗選擇相同氫氣噴嘴，固定氫氣噴射結束相位EOI=-25°，發(fā)動機轉速2 500 r/min，?=2.3，控制發(fā)動機BMEP分別為1 MPa和1.15 MPa，在不同負荷下改變氫氣噴射壓力進行測試。

不同發(fā)動機負荷條件下，熱效率隨著氫氣噴射壓力的升高而增加，如圖9所示。圖10示出不同工況點的氫氣噴射起始相位。氫氣噴射持續(xù)期隨著氫氣噴射壓力變化而變化，由于不同工況點噴氫結束相位相同，所以氫氣噴射壓力越高，氫氣噴射脈寬越短，氫氣噴射過程越靠近上止點，進入缸內的高壓氫氣參與混合氣壓縮的時間越短，壓縮過程中的壓縮壓力越低，壓縮負功小，發(fā)動機效率提升。不同氫氣噴射壓力測試時的燃燒放熱規(guī)律與氫氣晚噴類似，氫氣噴射壓力越高，噴射過程越接近燃燒上止點，燃燒前半段放熱速度快，發(fā)動機熱效率更高。不同負荷下NO排放均隨著氫氣噴射壓力降低而增加，如圖11所示。可能的原因是缸內背景壓力影響了低壓氫氣噴射后期的混合。圖12示出BMEP=1 MPa工況不同噴射壓力對應的缸內壓力變化。噴氫結束相位-25°對應的缸內壓力達到2.6 MPa左右，若氫氣噴射壓力降低，氫氣的貫穿距離小，氫氣和空氣混合變差，形成分層燃燒，局部濃區(qū)增加，故NO排放升高。

3.4 氫氣噴嘴流量對發(fā)動機性能的影響

在進行氫氣噴嘴試驗時，選擇相同氫氣噴射壓力10 MPa，固定氫氣噴射結束相位-25°，發(fā)動機轉速2 500 r/min，?=2.3，在15 MPa噴射壓力下分別更換噴嘴設計流量為2.5 g/s和5 g/s的兩種氫氣噴嘴進行測試。

熱效率測試結果如圖13所示，5 g/s流量噴嘴熱效率更高，比2.5 g/s氫氣噴嘴熱效率提升0.4%左右。兩種流量氫氣噴嘴NO排放的測試結果如圖14所示，5 g/s流量噴嘴的NO排放顯著增加，比2.5 g/s氫氣噴嘴NO排放增加730×10^-6。主要是因為噴嘴流量越大，噴射脈寬越短，氫氣和空氣混合時間越短，形成分層燃燒，NO排放增加明顯。從試驗結果來看，氫氣噴嘴流量增大對熱效率的提升較小，但是NO排放惡化明顯，所以實際選擇氫氣噴嘴時需要平衡噴嘴流量對效率和排放的影響。

4 結論

a） 氫氣缸內直噴能達到原汽油機的扭矩和功率水平，相對于汽油燃料，氫氣燃料最小點火能量低，具有很好的稀燃特性，在普通火花塞點火條件下，能實現超稀薄燃燒，缸內工質絕熱指數增加，傳熱損失較少，可大幅提升發(fā)動機的熱效率，外特性有效熱效率最高提升4%@2 500 r/min；

b） 氫氣噴射相位對發(fā)動機的氫耗和NO排放影響明顯，這和汽油燃料差別較大，汽油直噴發(fā)動機經濟工況點常用的噴射相位是點火上止點前300°～360°，而氫氣直噴時，噴射相位結束角在上止點前30°～40°時熱效率最高；但是由于混合氣分層，局部濃區(qū)增加，使得NO排放也隨之增加；

c） 氫氣噴射壓力不同，相同工況下氫氣噴射的結束角度也不同，試驗時固定相同的氫氣噴射結束相位，測試發(fā)現氫氣噴射壓力越高，發(fā)動機有效熱效率越高，NO排放越低；

d） 氫氣噴嘴流量不同，相同工況下氫氣噴射結束角不同，試驗時固定相同的氫氣噴射結束相位，試驗結果表明：噴嘴流量大，發(fā)動機有效熱效率有所提升，但是NO排放增加明顯；為了平衡效率和排放，在滿足發(fā)動機性能的前提下，可選擇相對較小流量的氫氣噴嘴。

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Effect of Injection Strategy on Performance of Hydrogen Internal Combustion Engine

HU Ke，WAN Jia，MA Wenzhong，YUAN Shuang，WEI Hong，ZHAO Fucheng

（Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.， Ningbo 315336，China）

Abstract： In order to respond to the national call of "carbon peak， carbon neutrality" and achieve "zero carbon emissions"， hydrogen engine was selected as the key technology route of carbon neutrality. In order to conduct rapid experimental research on the combustion of hydrogen gas in internal combustion engine， a cylinder-direct-injection hydrogen injection scheme was adopted based on gasoline engine， and detailed testing of direct injection hydrogen was conducted on a 1.5 L engine. The effects of gasoline and hydrogen fuel on engine performance and fuel consumption were compared and analyzed. And under the condition of hydrogen direct injection， different hydrogen injection strategies were studied including hydrogen injection phase， hydrogen injection pressure， and different hydrogen nozzle flow rates， and the effects of them on the thermal efficiency and NO emissions of hydrogen engine were further studied， which laid a foundation for the company subsequent development of hydrogen engine.

Key words： hydrogen engine；thermal efficiency；injection phase；injection pressure；nozzle flow rate；nitrogen oxide

［編輯：潘麗麗］