进气道喷氢对氢内燃机进气压力波动的影响规律

暴秀超1，孙大伟

(1.西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都610039;2.北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081)

近年来，严格的排放法规和对车辆碳排放的限制对内燃机提出了很大的挑战。氢内燃机由于有着较高的热效率、非常低的污染物排放和几乎为零的碳排放，得到了研究人员的持续关注[1-2]。相比化油器式和缸内直喷等氢气引入的方式，气道喷射氢气具有效率高、成本低、对原汽油机改动少等优点，因而被广泛采用[3]；然而，由于氢气为气态且密度低，气道喷射会造成发动机容积效率下降，进而影响输出的扭矩和功率[4]。此外，当氢和空气的混和气的当量燃空比小于0.55时，燃烧产物仅含有微量的氮氧化物；而当量燃空比超过0.55后，燃烧产物中的氮氧化物会迅速增长到不可接受的程度[5]：因此，氢内燃机通常会运行在当量燃空比小于0.55的限制下，输出转矩和功率会进一步降低，故提高气道喷射氢内燃机的性能对于其在实际中的应用有着重要意义。

现代汽油机通过 对进气管结构和尺寸的优化设计，充分利用发动机进气过程进气系统内形成的压力波来提高输出性能[6-7]。考虑到大量氢气在喷入进气道时的压力为400 kPa，对进气压力波的扰动不可忽视，能否合理利用这种影响达到增加发动机容积效率，进而提高输出性能，成为了研究人员所关心的问题。Sierens等[8-9]分别在不同的氢发动机上对氢气喷射时刻进行了优化，结果发现喷氢时刻对低速时的转矩有着很大的影响，通过改变喷氢正时，功率输出会有最大20%的差别；但受到试验条件的限制，其未能深入分析这一现象的机制。

本文将一台汽油机改装成为进气道喷射的氢内燃机，通过试验研究不同喷氢时刻对进气系统内压力波动的影响机制，并探讨如何利用这一机制优化喷氢正时，提高氢内燃机的输出性能。

1 试验发动机及试验设备

1.1 试验发动机参数

试验氢内燃机是用一台排量为2.0 L的气道喷射汽油机改装而来。该汽油机为直列4缸，双顶置凸轮轴，16气门，电控多点燃油喷射形式，其主要参数如表1所示。

表1 原型汽油机参数

注：本文中压缩上止点为0°。

保持原汽油机的基本结构、系统及主要结构参数(如缸径、冲程和几何压缩比)等不变，针对燃用氢气后所必须解决的问题，进行了重新设计与改进：在每个进气歧管靠近气缸盖的位置加装了氢气喷射器；将原机的分组式点火系统改为各缸独立的点火系统，使用冷型火花塞；在曲轴箱通风管路上安装了油气分离装置，避免润滑油进入气缸形成热点造成回火和早燃；使用自行开发的电控系统来实现对发动机各部件的控制。

1.2 试验台架及设备

氢内燃机的主要测试设备除表2所列出的外，还包括水温/油温恒温装置、测量排放的AVL5组分分析仪和Horiba宽域氧传感器。氢气储存在压力为13 MPa的气瓶集装格中，经两级减压后输送到发动机，氢气喷射的压力为400 kPa。瞬态进气压力测试装置安装在靠近进气歧管与缸盖的位置，保证得到准确的压力数据。

表2 测试设备

2 结果和讨论

为了分析氢气喷射对气体压力波动及空气流量的影响规律，分别对无氢气喷射的倒拖工况和有氢气喷射的运转工况的进气歧管和集气腔内压力波动进行了测量和对比，结果如下所述。

2.1 倒拖工况的进气压力波动

图1和图2示出低转速(1 000 r/min)和高转速(3 400 r/min)时，集气腔和进气歧管的压力波动曲线。可以看出，无论在低速还是高速，集气腔内的压力波动都有4 个波峰，这是由于4个气缸的进气歧管都连接在集气腔，在一个工作循环中，每缸在进气冲程都产生一个膨胀波，形成了集气腔压力的波动。通过比较图1和图2可以发现:低速时集气腔压力和进气歧管的压力波形大致相仿，进气歧管的压力主要被集气腔内压力所影响；而高速时，进气歧管内的压力波动幅值要明显大于集气腔，此时歧管自身压力波的反射叠加是主要激励，而且高速时的压力波动幅值也要大于低速的情况。

图 1 低速时集气腔和1缸歧管压力曲线

图 2 高速时集气腔和1缸歧管压力曲线

试验和数值分析都表明，如果在下止点后到进气门关闭的时间段内，歧管内的压力波动使气门处的压力达到最大，则此时有最大的进气充量；因此，在低速时通过合理地设计进气管和集气腔，使集气腔压力在特定转速时的幅值和相位满足上述要求，就会有较高的充量效率，而高速时，通过改变进气歧管长度来调整歧管内压力波动的幅值和相位，可以在某段转速范围内得到最大的充量效率。

由上所述，低、高速时进气歧管压力波的主要影响因素是不同的，因此对于有氢气喷射的情况也要分为低速和高速分别研究。

2.2 低速时氢气喷射对进气压力波的影响

图3为转速1 000 r/min、发动机倒拖工况和喷氢正时(SOI)为25 °CA BTDC时1缸进气歧管压力曲线，混合气当量燃空比0.55，喷射压力400 kPa。可以看出：喷氢后歧管的压力曲线与倒拖一样有4个幅值较大的波峰，这是由于低速时歧管压力的波动主要是由集气腔的压力波动引起的，喷氢对于后者的影响不大。在-25 °CA喷氢后，可以看到压力由于氢气喷射而上升，喷氢使得歧管自身引起的波动频率明显增大。除了-25 °CA外，在分别相隔大约180 °CA的155 °CA、335 °CA和-205 °CA都可以观察到压力的上升，而这些正是第3、4和2缸喷氢的时刻，表明其他缸喷氢引起的压力波也可以对本缸歧管压力产生影响。

图 3 喷氢和倒拖进气歧管压力波对比

为了进一步证明该现象，分别对喷氢角度相隔180 °CA(SOI=-25 °CA和SOI=155 °CA)和相隔220 °CA(SOI=-25 °CA和SOI=-245 °CA)的2组进气压力波动进行了比较，如图4所示。当喷氢角度相隔180 °CA时，除了当本缸喷射时引起压力升高外，2个喷氢角度对应的进气压力曲线在整个循环内的波动规律十分一致，表明其他缸喷射与本缸喷射对歧管压力波的影响是相似的。而反之如果喷氢角度相隔不是180 °CA，例如220 °CA，可以看出其进气压力波动状况有所区别。这也从反面证明了在一个循环周期内，进气歧管的压力波动不仅受到本缸氢气喷射的影响，也会受到其他3个气缸相隔180 °CA的激励。

图 4 不同喷氢正时进气歧管压力波对比

图5为发动机在转速1 000 r/min下，改变喷氢正时所测得的空气流量变化曲线。可以看出，空气流量随喷射开始角度的变化有着明显的周期性，取得空气流量波峰或波谷值的喷氢开始角度相隔大约180 °CA。原因如上文所述，在一个工作循环(720 °CA)内，除了本缸的喷氢外，其他3缸的喷氢都会对本缸的进气压力波产生影响，因此，空气流量随喷氢角度的变化会有4个峰值。

图 5 不同喷氢正时下的空气流量

氢气喷射是如何影响进气歧管的压力波动，进而影响到发动机的空气流量呢？由于空气流量随喷氢时刻的变化有周期性，仅以相邻的波谷(SOI=-245 °CA)和波峰(SOI=-165 °CA)为例进行分析。图6为发动机转速1 000 r/min下，这2个喷射时刻的进气歧管压力波动曲线。氢气喷射开始角度在下止点(-165 °CA)附近时，氢气喷射使得下止点(-180 °CA)到进气门关闭(-140 °CA)期间的压力高于在进气中期(-245 °CA)喷射的情况，故下止点开始喷射时取得较大的空气流量；而喷氢正时为-245 °CA时，由于压力波的叠加反射，使得下止点到进气门关闭期的压力处于低值，因此空气流量与其他喷射角度相比最小。

图 6 不同喷氢正时歧管压力曲线

图5中的空气流量最大值比最小值多4.4%，考虑到发动机的转矩输出与空气流量成正比，在转速为1 000 r/min时，优化喷氢角度的情况会比未优化的情况高出4.4%的转矩输出。

2.3 高速时氢气喷射对进气压力波的影响

由于在低转速和高转速下，影响进气压力波动的因素发生改变，因此还需要考察高速时喷氢对进气压力波动的影响是否与低速时相同。转速3 400 r/min，喷氢开始角度-250 °CA，喷射压力400 kPa，混合气当量燃空比0.55时1缸的进气歧管压力曲线如图7所示。通过与喷氢和倒拖时压力曲线的对比，可以发现氢气喷射后歧管压力也会上升，其他缸喷射的压力波也会传递到本缸歧管内，造成压力的上升，氢气喷射也会加强原本的气压波动。与低速时不同的是，相对倒拖时压力波动的幅值，喷氢所造成的压力上升幅值较小。

图 7 进气压力波动与倒拖工况的比较

同样，为了考察其他缸喷氢对本缸气体波动压力的影响，选取与喷氢角度-250 °CA相差360 °CA(SOI=110 °CA)和90 °CA(SOI=-340 °CA)的2组数据进行对比，如图8所示。与低速(1 000 r/min)时不同的是，即便喷射角度相差不是180 °CA的整数倍，歧管内压力波动的情况也比较一致。这是由于高转速时歧管内压力波动幅值原本就很大，喷氢引起的压力上升程度与低速相比相对降低。

图 8 不同喷氢正时进气压力波动的比较

图9为发动机转速3 400 r/min时，改变喷氢正时所测得的空气流量变化曲线。可以看出：在进气中期(-270 °CA)喷氢时空气流量最小；而在靠近下止点(-220 °CA)喷氢时空气流量最大；在其他角度喷射时空气流量变化不大；最大空气流量比最小空气流量高出7.3%。图10为转速3 400 r/min时1缸进气歧管压力曲线。图中4条曲线分别代表氢气喷射开始角度在进气中期(-280 °CA)和靠近下止点位置(-220 °CA)，以及喷氢角度与前两者相差360 °CA(80 °CA和140 °CA)的压力曲线。由图9和图10可以看出：在下止点附近喷射可以有效提高下止点到进气门关闭期间的压力(如图10所示)而增加空气流量；而在进气中期喷射则会阻碍空气的进入，且使得下止点到进气门关闭期的压力处于低值导致空气流量减少。与低速时不同的是，在高速时喷氢对于进气压力波动的影响减弱，特别是对于其他缸喷氢传递到本缸的激励效果更不明显，使得在其他角度喷氢时对空气流量的影响不及在本缸进气中期和下止点附近喷射对空气流量的影响。

图 9 不同喷氢正时下的空气流量变化曲线

图 10 不同喷射正时歧管压力曲线

3 结论

本文在一台气道喷射的氢内燃机上，通过改变不同的喷氢正时，研究了氢气喷射对于进气道压力波动和发动机空气流量的影响，得到如下结论：

1)氢气喷射会加强原有的进气压力波动，在氢气喷射的时刻，进气压力会有明显升高；

2)不仅本缸氢气喷射对相应的歧管压力有影响，其他缸氢气喷射也会对本缸歧管压力产生激励作用；

3)低速时，在进气下止点和气门关闭之间喷氢可以增加发动机进气流量，或者在前述区间相隔180°CA的区间喷氢，利用其他缸激励也可增加发动机进气量，进气量最大可提高4.4%；

4)高速时，只有在本缸进气下止点和气门关闭之间喷氢可获得增加发动机进气流量的最好效果，约为7.3%，其他缸激励影响相对较小。

[1]Verhelst S ， Sierens R. A Critical Review of Experimental Research on Hydrogen Fueled SI Engine[C]//SAE Paper. [S.1.]:SAE, 2006.

[2]Sun Zuoyu, Liu Fushui, Liu Xinghua ，et al. Research and Development of Hydrogen Fuelled Engines in China[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2012, 37(1)： 664-681.

[3]Mahesh M K ，Neelu. Review of Fuel Induction Technologies for Automotive Hydrogen Propulsion[C]//SAE Paper.[S.1]:SAE, 2005.

[4]Tang X, Kabat D, Natkin R, et al. Ford P2000 Hydrogen Engine Dynamometer Development[C]//SAE Paper.[S.1]:SAE, 2002.

[5]Safari H, Jazayeri S A, Ebrahimi R. Potentials of NOx Emission Reduction Methods in SI Hydrogen Engines-Simulation Study[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(1)： 1-11.

[6]邓康耀，方适应，朱义伦. 汽油机进气结构参数对换气过程的影响研究[J]. 内燃机工程，2000，21(4)：1-5.

[7]Liu J P, Bingham J F. A Study on the Intake Pressure Wave Actions and Volumetric Efficiency-Speed Characteristics of Multi-Cylinder Engines[J].内燃机学报，1997，15(2)： 138-150.

[8]Sierens R, Verhelst S. Experimental Study of a Hydrogen-Fueled Engine[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2001, 123(1)： 211-216.

[9]Sierens R, Verhelst S. Influence of the Injection Parameters on the Efficiency and Power Output of a Hydrogen Fueled Engine[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2003, 195(3)： 444-449.