PFI氢燃料内燃机NOx排放特性的试验研究*

段俊法，刘福水，孙柏刚

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

前言

氢燃料清洁环保，是应对排放法规日益严格和车用燃料枯竭的一种有效对策［1］。氢气应用于内燃机无须对动力系统做过多的改动，是现阶段氢燃料最可能用于车辆的方式［2］。宝马、福特都已开发了进气道燃料喷射(PFI)氢内燃机，曼公司组成的氢燃料内燃机试验公交车队已经累计运行了超过200万 km［3－5］。

氢气用作内燃机燃料时碳排放为零，但由于氢燃烧的温度高，会产生高浓度的NOx排放，因而研究NOx的排放特性和控制方法是氢内燃机研究的重要方向，得到了很多研究者的关注。一些研究者发现采用稀薄燃烧技术和优化点火提前角是抑制NOx排放的有效途径［5－7］，另一些研究者发现采用废气再循环(EGR)可以显著降低NOx排放［8－10］。这些研究提出了抑制NOx排放的有效方法，但还不够系统和充分，没有覆盖氢内燃机的全部工况。

本文中在一台4缸多点电喷汽油机基础上，建立了进气道燃料喷射(PFI)氢内燃机试验系统，系统研究了氢内燃机NOx排放特性，分析了全工况范围内NOx排放随当量燃空比、点火提前角和EGR的变化关系，为寻找全工况范围内抑制NOx排放策略提供依据。

1 试验系统和方法

1.1 试验用内燃机

试验采用了一台4缸多点电喷汽油机，其主要参数见表1。

表1 内燃机基本参数

在试验用汽油机上增加了一套进气道燃料喷射供氢系统。如图1所示，氢气以高压储存在钢瓶里，经二级减压后氢气进入氢轨，氢轨上安装有4个喷氢阀，在接到喷氢信号后将氢气喷入对应的进气道。氢轨的内径经设计优化以较大的容积保证喷氢时氢轨内的压力波动保持在2%以内。

EGR系统由EGR管路和EGR阀组成。EGR管路的入口在三效催化转换器后方的排气管上，出口在稳压箱后方的进气管上。EGR阀安装在EGR管路入口处，调节EGR阀的开度改变再循环废气在进气充量中的比例。

1.2 试验设备

试验设备包括试验台架和测试设备，试验台架由拖动电机、电涡流测功机、冷却水和机油恒温系统组成，实现正常起动和暖机，保证试验中内燃机各种工况下的稳定工作。主要测试设备见表2。

表2 主要测量仪器

试验中用空气流量计测量空气的质量流量，氢气流量计测量氢气的质量流量，从而得到当量燃空比。曲轴转角传感器精确测量内燃机的转速，缸压传感器测量气缸内部的瞬时压力，并将测试数据传输至燃烧分析仪分析燃烧过程。排气分析仪采样通道安装在排气管上、三效催化转化器前端，测量未经后处理废气中的NOx浓度。

1.3 试验方法

内燃机由倒拖电机起动和暖机后稳定工作，试验过程中冷却水恒温系统和机油恒温系统保证水温和机油温度的变化在5℃以内。研究包含如下3部分。

第1部分研究当量燃空比对NOx排放的影响，在实验中，保持发动机转速和喷氢压力不变，改变喷氢脉宽以改变当量燃空比。

第2部分研究点火提前角对NOx排放的影响，在确定工况下实现内燃机稳定工作，保持转速和当量燃空比不变，改变点火提前角，测得此工况下NOx排放随点火提前角变化的规律，改变转速和当量燃空比，得到全部工况的NOx排放随点火提前角的变化规律。

第3部分研究EGR对NOx排放的影响，在实验中手动调节EGR阀，改变再循环废气的比例测得NOx随EGR率的变化规律。

通常以EGR气体质量占工质总质量的百分数来表示EGR率γ，即

式中:mair为进气充量中的空气质量;mEGR充量中的EGR气体质量;mfuel为燃料质量。由于废气的温度和压力较高且波动较大，EGR的质量难以测量。

本试验根据EGR前后空气流量的变化来确定EGR率。

式中:Me表示某一工况下采用EGR时空气流量计读出的流量;Mair表示不采用EGR时的空气流量。

2 试验结果和讨论

2.1 当量燃空比对NOx排放的影响

图2为试验得到的不同转速下，当量燃空比和NOx排放的关系曲线。各个转速下NOx浓度随当量燃空比变化的规律都很接近:在当量燃空比小于0.5时，NOx浓度随当量燃空比增大缓慢上升，但均不超过500×10－6;在当量燃空比0.5～0.7之间，NOx浓度随当量燃空比增大急剧上升;在当量燃空比0.7～0.9之间出现在φ接近1时出现8 000× 10－6～10 000×10－6的排放峰值;在当量燃空比接近1时，NOx排放的浓度迅速降低，当量燃空比φ达到1.1时，NOx浓度已经降低到300×10－6左右。

转速不改变NOx排放随当量燃空比变化的趋势，但影响NOx排放的峰值浓度和峰值出现的位置。转速越高，NOx排放的峰值浓度越大，但峰值浓度随转速增加的幅度不大:转速从1 000r/min增加到5 000r/min时，排放峰值浓度仅从8 400×10－6增高到9 400×10－6。转速越低，出现排放峰值的当量燃空比越小:在1 000r/min，出现排放峰值(8 000× 10－6)时的当量燃空比仅为0.7，而在5 000r/min时，出现排放峰值的燃空比接近0.9。

缸内温度影响NOx的生成，由于缸内温度无法直接测量，试验测取排气温度来分析缸内温度。如图3所示，在转速为2 000r/min时，当量比小于0.5，排气温度低于197℃，而在当量燃空比大于0.7时，排气温度超过577℃。缸内温度和排气温度的变化规律是一致的，在当量燃空比达到0.7时，缸内温度也达到很高的温度。

缸内温度升高的原因在于:在当量燃空比小于1时，随着当量燃空比的增大，每个工作循环进入气缸的氢燃料增多，由于气缸内工质的总热容几乎不变，而氢气的燃烧值很高，因此气缸内的温度随着当量燃空比的增大迅速升高。

氮气的性质在常温时接近惰性气体，但当温度升高一定程度后其活性迅速增加，开始和O2发生反应，因而温度是燃空比较大时出现NOx排放的内在原因。一些研究者发现随着温度升高，NOx的生成以指数规律急剧增加［5］。因而当量燃空比增大到一定程度后NOx排放浓度急剧上升。

在当量燃空比接近和超过1时，由于氢气浓度很高且其活性远大于氮气，混合气中的氧气优先和氢气发生反应，因此NOx浓度会随着当量燃空比的增加而急剧下降。

2.2 点火提前角对NOx排放的影响

图4为不同转速和当量燃空比条件下，NOx浓度随点火提前角变化的关系曲线。由于当量燃空比小于0.5时NOx排放浓度很低，而当量燃空比大于0.7时，不发生回火的点火提前角范围很小，本文中仅研究了当量燃空比在0.5～0.7范围内点火提前角和NOx排放的关系。

由图4可知，NOx排放的浓度随点火提前角减小而降低，这种作用受转速和当量燃空比的影响。转速越低，点火提前角对NOx排放的影响越显著。在1 000r/min时，点火提前角减小15℃A，NOx排放降低了接近4 000×10－6。而在5 000r/min时，NOx排放几乎不随点火提前角的变化。

当量燃空比越大，减小点火提前角、降低NOx排放的作用越明显，在1 000 r/min，当量燃空比0.62时，点火提前角减小20℃A，NOx排放浓度降低接近4 000×10－6。而在当量燃空比0.50时，点火提前角减小20℃A，NOx排放浓度仅降低200×10－6。

点火提前角越大，氢气在气缸内的燃烧越充分，因而气缸内的温度越高，NOx排放的浓度也越高。减小点火提前角可有效降低NOx排放浓度。

先前的一些研究认为点火提前角减小会造成热效率降低［5－7］。为了深入分析点火提前角对效率的影响，试验分析了2 000r/min时点火提前角和燃烧持续期及热效率的关系，如图5所示。

由图5可知，减小点火提前角，从20℃A减小到5℃A，由于氢气的燃烧速度很快，燃烧持续期仅增加了2.8℃A，从40.6℃A增大到43.4℃A，指示热效率仅从最高的41.4%下降到39.2%。可见在一定范围内减小点火提前角对热效率的影响并不显著，因而减小点火提前角是降低NOx的一种有效方法。

2.3 热EGR对NOx排放的影响

传统内燃机采用EGR稀释燃料和氧气浓度，增大工质的总热容，并通过中冷器降低废气温度，从而降低NOx排放。而氢燃料内燃机中的残余废气主要是水蒸气，经冷却后废气成分主要是N2，工质的总热容偏小，因而采用了非中冷的热EGR系统。

试验发现EGR能降低NOx排放，其作用效果决定于EGR率。图6给出了转速1 000r/min，不同EGR率时NOx排放随燃空比变化的曲线。EGR率越大，NOx排放峰值和高浓度区的范围均减小，采用15%的EGR率，峰值从8 000×10－6降至3 200× 10－6，下降了约60%;采用30%的EGR率，NOx排放峰值降至1 500×10－6，下降了约80%，而在EGR率40%时，NOx排放峰值已经低于300×10－6，可以不经后处理直接排放。

引入EGR以后，同样当量燃空比下氢燃料和纯空气在全部进气充量中的占比降低，因而燃烧的放热量减少，而此时混合气体含有比热容较大的H2O蒸汽，总的比热容有所增大，因此缸内工质的温度明显降低，进而造成NOx浓度也大幅度降低，且NOx排放峰值位置提前。

由于采用较大的EGR率降低了气缸内的温度，故此时氢内燃机的热效率有所降低，燃料经济性有所下降。

转速影响对EGR的作用效果，如图7所示。在1 000r/min低转速下，15%的EGR率可使NOx峰值浓度降低60%。而在1 500、3 000和4 500r/min转速下，NOx排放峰值仅降低了20%。可见在低转速时EGR降低NOx排放的能力更强。

3 结论

(1)当量燃空比是决定氢燃料内燃机NOx排放浓度的主要因素，在当量燃空比小于0.5和大于1.0时，NOx排放浓度很低。当量燃空比等于0.6～1.0时NOx排放浓度很高，峰值浓度达到8 000×10－6～10 000×10－6。高转速时，NOx排放的峰值浓度更高。

(2)在当量燃空比0.5～0.65之间，减小点火提前角会使NOx排放显著降低，在较大当量燃空比时更为明显。在低转速时，减小点火提前角对降低NOx排放的效果更为显著。实验发现减小点火提前角对效率的影响并不显著。

(3)采用EGR可以显著降低NOx排放浓度。EGR率越大，EGR降低NOx排放峰值和高浓度区的范围的作用越显著。转速越低作用越显著。

［1］ 毛宗强.氢能及其近期应用前景［J］.科技导报，2007，23(2): 34－38.

［2］ Delorme A，Rousseau A，Sharer P，et al.Evolution of Hydrogenfueled Vehicles Compared to Conventional Vehicles from 2010 to 2045［C］.SAE Paper 2009－01－1008.

［3］ Gerrit Kiesgen，Manfred Klüting，Christian Bock.The New 12-Cylinder Hydrogen Engine in the 7 Series:The H2 ICE Age Has Begun［C］.SAE Paper 2006－01－0431.

［4］ Stockhausen William F，Natkin Robert J，Kabat Daniel M，et al.Ford Hydrogen Engine Powered P2000 Vehicle［C］.SAE Paper 2002－01－0243.

［5］ 杨振中.氢燃料内燃机燃烧与优化控制［D］.杭州:浙江大学，2001.

［6］ Natkin Robert J，Tang Xiaoguo，Brad Boyer，et al.Hydrogen IC Engine Boosting Performance and NOxStudy［C］.SAE Paper 2003－01－0631.

［7］ Nakamura Y，Yamamoto K，Nakajima N，et al.Effects of Hydrogen Enhancement on Efficiencyand NOxEmissions of Lean and EGR-Diluted Mixtures in a SIEngine［C］.SAE Paper2007－24－0122.

［8］ Heffel JamesW.NOxEmission and Performance Data for a Hydrogen Fueledinternal Combustion Engine at 1 500r/min Using Exhaust Gas Recirculation［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2003，28:901－908.

［9］ Heffel JamesW.NOxEmission and Performance Data for a Hydrogen Fuel Edinternal Combustion Engine at 3 000r/min Using Exhaust Gas Recirculation［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2003，28:1285－1292.

［10］ Ayala Ferrán，Goldwitz Joshua，Heywood John B.Effects of Hydrogen Enhancement on Efficiency and NOxEmissions of Lean and EGR-Diluted Mixtures in a SIEngine［C］.SAE Paper 2005－01－0253.