掺烧布朗气对轻型车加速过程排放的影响

王 忠，王 飞，姚 康，刘 帅，赵 洋

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013;2.南京蓝天氢能科技股份有限公司，江苏南京210012)

布朗气是澳大利亚尤尔·布朗教授20世纪80年代提出的一种通过布朗发生器以碱性水溶液为原料，电解生成氢氧比例为2∶1的混合可燃气体［1］.布朗气具有改善燃烧的作用，开发的布朗气复合燃料燃烧系统在垃圾焚烧方面得到了应用;布朗气燃烧时能够形成高温，可以融化金属，在金属切割、焊接等领域得到了广泛的应用［2］.

国外学者在发动机上开展了应用布朗气的研究，用于改善发动机缸内燃烧过程，降低排放.A.A.Al-Rousan 等［1，3］以 HondaG200 单缸汽油机为研究对象，掺烧布朗气，结果表明:进气管中引入布朗气后，NOx降低为原来的50%左右，CO降低为原来的20%左右.A.C.Y.Erinç等［4］将布朗气引入进气管，研究了添加布朗气对柴油机性能和排放的影响.结果表明:引入布朗气后，CO的排放降低了13.5%，HC的排放降低了5.0%.

汽车在加速过程中，柴油机每次循环喷油量增加，造成混合气过浓，燃油来不及充分燃烧导致柴油机加速工况的排放比稳态工况差［5］.实际道路下，加速状态下的车辆颗粒物数量、质量浓度明显高于其他行驶状态［6］.NOx瞬时排放体积分数随工况变化明显，车辆加速时，NOx排放体积分数显著增大，加速结束或车辆减速会导致NOx排放体积分数迅速降低，并有较大幅度的波动［7］.

笔者将一定量的布朗气引入柴油机进气总管进行试验，使之与空气混合并与柴油在燃烧室内混合燃烧，测量NOx，THC，CO排放量，并与原机的相关数据进行比较，考察掺烧布朗气对轻型车加速过程中排放性能的影响.

1 布朗气对燃烧的作用

布朗气无色、无味，摩尔质量为12.3g·mol-1.布朗气的主要成分是 H2和 O2，其中 H2约占60.79%，O2约占30.39%，另外含有少量水蒸气以及 O，OH 等活性成分［8］.

布朗气燃烧时不需要提供额外的氧气，由于H2的火焰传播速度很快，加速了柴油的扩散燃烧速度，使得整体燃料的燃烧速度明显加快［9］.布朗气较宽的燃烧极限，可以扩大可燃混合气的燃烧稀限，改善缸内局部过稀可燃混合气的燃烧状况;布朗气具有内爆效应［10］，燃烧或爆炸后，会以1860∶1体积比形成真空.这种效应有助于增加混合气着火后的缸内扰动.

布朗气中的氢气、氧气燃烧是典型的支链反应过程，当形成1个分子的水时，就得到了2个新的活性物质.这些活性物质在燃料燃烧过程中形成载体，促使C—H链反应的进行，使得燃烧更加完全.氢气、氧气燃烧主要的反应为

链的引发为

链的传递为

气象终断为

气壁终断为

将式(3)-(6)相加得

每一个参加反应的H原子，在生成2个H2O分子的同时，生成3个H原子，这3个H原子又可以形成另外3个链继续参加反应，随着反应的不断进行，H原子的数目按指数增长，因此反应不断加速，直至产生爆炸［11］.柴油燃烧过程中，布朗气中的活性自由基向R(烃)、C和CO传递氧，促进了燃油分子的扩散和氧化，催化特性促进了柴油燃烧反应的进行，使得可燃混合气的燃烧更加完全.

2 试验设备与方案

2.1 试验设备

选择以柴油机为动力的轻型货车为研究对象，柴油机型号为BJ483ZQB，最大功率为46kW(3300 r·min-1)，最大转矩为 110N ·m(2300r·min-1).在转毂试验台上完成了整车加速试验，测量了整个加速过程中的排放污染物.试验现场如图1所示.主要试验仪器如表1所示.

图1 试验现场

表1 主要试验仪器和设备

2.2 试验方案

以柴油机进气管未引入和引入布朗气(2L·min-1)作为2种试验对比方案，测量了整车加速过程中瞬态排放污染物随时间的变化规律.为了对比加速过程中污染物的瞬态排放，用加速过程中单位时间的平均排放体积分数作为评价参数，比较了THC，NOx，CO等排放污染物的变化规律.根据不同挡位的最高车速，试验分为以下4种不同初速的加速过程:① 车速由0km·h-1加速到13km·h-1;② 车速由13km·h-1加速到27km·h-1;③ 车速由27 km·h-1加速到40km·h-1;④ 车速由40km·h-1加速到62km·h-1.

3 试验结果与分析

3.1 NOx排放

柴油机燃烧过程中，NOx主要形成于燃烧过程中高温富氧环境，NOx的生成量取决于吸入气缸的空气量、最高燃烧温度及持续时间.NOx排放随时间的变化关系如图2所示.

图2 NOx排放随时间的变化关系

由图2可以看出:每挡加速过程中，NOx的变化趋势基本相同;加速初期，随着车速升高，NOx急剧增加;随着缸内燃烧状况趋于稳定，NOx排放达到最大值后持续下降，经历一个相对稳定的阶段后，NOx继续下降到最小值;起步加速过程中，4s之前未引入布朗气的工况下，NOx排放较高，4s以后，2种工况下的NOx排放接近;超越加速过程中，由初速度13km·h-1开始加速时，NOx排放由20×10-6增加到52×10-6;由初速度27km·h-1开始加速时，NOx排放由20×10-6增加到62×10-6;由初速度40 km·h-1开始加速时，NOx排放由20×10-6增加到85×10-6.比较不同初速度的超越加速可以看出NOx排放随着超越加速初速度的增加而增加.这是因为随着挡位增加，变速箱由低传动比变为高传动比，整车外阻力力矩相同且达到相同加速度的情况下，要求柴油机输出转矩增加，负荷增加，喷入气缸内的燃油量相应增加，缸内的最高燃烧温度升高，燃料NO以及热NO增加导致了NOx排放的增加.

THC和NOx的时间平均排放体积分数如表2所示，引入布朗气后，整车初速度为13，27km·h-1的超越加速过程中，NOx排放下降了4.5%左右;同样，整车初速度为40km·h-1的超越加速过程中NOx排放下降了8.5%.

表2 THC和NOx的时间平均排放体积分数

整车加速过程中，引入布朗气后的NOx排放均略低于未引入布朗气的工况.这是因为布朗气含有氢气成分，氢的燃烧界限较宽，点火能量低，燃烧速度快［12］.活塞压缩行程中，柴油可燃混合气压缩燃烧，引燃混合气中的布朗气，布朗气的内爆效应增加了缸内的气流扰动，加快了缸内燃烧过程，缩短了柴油滞燃期，急燃期内准备的可燃混合气减少，急燃期缩短，缸内最高燃烧温度降低;布朗气较宽的燃烧极限，扩大了可燃混合气的燃烧稀限，改善了缸内局部过稀可燃混合气的燃烧状况，“贫油”区的NO生成率降低.两者共同作用，使得引入布朗气后NOx排放较低，初速度为40km·h-1的整车超越加速过程中，布朗气降低NOx的作用更加明显.

3.2 THC排放

THC排放随时间的变化关系如图3所示，不同挡位的加速初期，THC排放急剧增加.起步加速过程中，前4s进气预混布朗气后，THC排放较高;4s之后2种方案的THC排放水平相当.初速度为13 km·h-1的超越加速过程中，THC排放增加较快;初速度为27km·h-1的超越加速过程中，THC排放增加缓慢，且排放体积分数低于初速度为13 km·h-1的超越加速过程.

图3 THC排放随时间的变化关系

THC排放随车速的变化关系如图4所示，初速度为40 km·h-1的超越加速过程中，进气总管通入布朗气后，车速达到45 km·h-1时，THC排放低于原机.

图4 THC排放随车速的变化关系

初速度为13 km·h-1的超越加速过程初期，THC排放先急剧上升，随着车速的增加，THC排放小幅下降后持续上升.这是因为加速过程初期喷油量急剧增加，柴油机处于急加速阶段，燃料燃烧不完全，THC排放急剧增加.随着柴油机转速的增加，缸内温度升高，燃烧状况趋于稳定，THC排放小幅下降.随着加速过程的持续，喷油量持续增加，THC排放持续增加.

初速度为27 km·h-1的超越加速阶段，THC排放上升缓慢且低于初速度为13 km·h-1的超越加速阶段.这是因为随着加速过程的进行，外界阻力增加，导致柴油机负荷增加，缸内最高燃烧温度升高，燃油雾化效果增强，燃料燃烧更加完全，THC排放较低.

初速度为40 km·h-1的超越加速过程初期，THC排放急速上升后持续下降，引入布朗气后，车速稳定时THC排放比未通布朗气的工况下降低6.7%.由表2可以看出:布朗气对THC瞬态排放的影响随着加速过程中初速度的增加而增加.初速度分别为13，27 km·h-1的加速过程中，THC排放变化不大;初速度为40 km·h-1的加速过程中，THC时间平均排放体积分数降低了5.3%.这是因为随着车速增加，柴油机负荷增加使得缸内最高燃烧温度升高，布朗气增加了缸内的活性自由基，自由基向R(烃)、C和CO传递氧，促进了燃油分子的扩散和氧化，加快了柴油分子链反应的进行，布朗气的催化特性起主要作用，使得高负荷下THC排放的下降更加明显.

3.3 碳氧化物排放

CO是HC燃料在燃烧过程中生成的主要产物.如果反应气的氧浓度、温度足够高，化学反应所占的时间足够长，CO会氧化成CO2.CO排放随时间的变化关系如图5所示，在起步加速和初速度为13，27 km·h-1的超越加速过程中，CO波动较小.初速度为40 km·h-1的加速过程中，CO波动较大，30 s时CO开始急剧增加，达到最大值后开始急剧下降，车速稳定时CO排放变化不大.

图5 CO排放随时间的变化关系

CO2排放随时间的变化关系如图6所示，在整个加速过程中，引入布朗气体后，CO2排放比原机略有下降，初速度为40 km·h-1的超越加速阶段，CO2排放比原机降低4.2%.

图6 CO2排放随时间的变化关系

整个加速过程中，柴油机进气总管引入布朗气后，CO的瞬态排放较高.这是因为布朗气降低了柴油机缸内的最高燃烧温度，部分CO未能氧化成CO2，导致CO的瞬态排放较高.

4 结论

1)柴油机进气总管引入布朗气后，随着整车超越加速时初速度的增加，THC和NOx排放降低率逐步增加.整个加速过程中，CO略有升高.

2)进气总管引入布朗气后，车速由0到40 km·h-1的变化过程中，THC几乎没有下降，NOx排放降低4.5%左右;初速为40km·h-1的超越加速过程中，THC排放降低5.3%，NOx排放下降8.1%左右.

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