氢气直喷与EGR协同作用对汽油机燃烧和排放的影响研究*

于秀敏，吴海明，杜耀东，刘 林，牛仁旭，董 伟

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

2016164

氢气直喷与EGR协同作用对汽油机燃烧和排放的影响研究*

于秀敏，吴海明，杜耀东，刘 林，牛仁旭，董 伟

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

为揭示氢气对传统燃料燃烧的改善作用，在一台加装EGR的氢气缸内直喷、汽油进气道喷射的复合喷射火花点火双燃料发动机上，开展了不同掺氢比和EGR率下发动机性能和排放的试验研究。结果表明：EGR的引入会降低发动机转矩，而掺氢可有效提高发动机转矩。有效燃油消耗率随着EGR率的增大呈现先减小后增加的趋势，掺氢可降低有效燃油消耗率，改善发动机经济性。缸压峰值随EGR率的增加呈现先增大后减小的趋势，其对应的时刻推迟；随着掺氢比的增加缸压峰值增大，且出现的时刻提前。平均指示压力循环变动系数随EGR率的增加而增大，掺氢可有效降低燃烧循环变动。汽油掺氢后NOx排放增加，EGR的引入能有效降低NOx排放，这种降低效果在大掺氢比下更显著；HC和CO排放随EGR率增大而增加，随掺氢比的增加而降低。在氢气缸内直喷与EGR协同作用下，发动机可获得较好的综合性能。

汽油机；氢气直喷；废气再循环；燃烧；排放

前言

随着汽车工业的快速发展，能源供需矛盾愈发突出，环保要求和排放法规也日益严格。因此，寻求更为清洁、绿色的代用燃料和降低排放成为世界各国内燃机领域重要的研究课题。氢气被认为是一种极具潜力的可再生替代燃料[1]，具有火焰传播速率高、点火能量低、放热速率高、燃烧时间短、燃烧界限宽等优点[2]，因此得到代用燃料领域的重视。氢气燃烧后的产物是水，对于降低内燃机有害排放具有很大的改善作用。但是，氢气具有不易存储和有安全隐患等缺点，不便在车上携带，限制了纯氢内燃机的进一步应用。因此，氢气作为辅助燃料在内燃机，特别是汽油机上掺混应用比纯氢发动机更实际，更可行。

由于氢气的火焰传播速度快，故汽油中掺氢能增加传统燃料的燃烧速率，缩短滞燃期和燃烧持续期，提高燃烧稳定性，进一步降低发动机的燃烧循环变动[3]。氢气的着火界限宽且燃烧速度快，掺氢可以拓展稀燃能力，提高发动机热效率，降低排放[4-5]。文献[6]中在一台改装的单缸气体发动机上进行了低热值气体掺氢的试验研究，结果表明掺氢可以增加发动机动力性，降低HC排放。文献[7]中在一台直喷发动机上开展了天然气掺氢的放热规律和燃烧特征的试验研究，发现随着掺氢比的增加，中低负荷下有效热效率增加，同时放热率曲线相位提前，缩短快速燃烧期，放热率增加。文献[8]中开展了点火正时对进气道喷氢的甲醇发动机燃烧与排放的影响研究，指出掺氢可以增加指示热效率，提高燃烧稳定性，随着掺氢比的增加，火焰发展期和传播期缩短，燃烧循环变动减小，HC排放降低。文献[9]中探究掺氢比对掺氢汽油机的性能及排放影响，研究表明掺氢能降低循环变动，拓展稀燃极限，改善稀燃能力，CO和HC减小幅度分别为89%和20%。

但是，氢气掺混后致使发动机NOx排放大幅增加[10-11]。废气再循环(EGR)作为一种降低NOx的主要途径，当发动机引入EGR后，可有效降低掺氢发动机的NOx排放，但是引入EGR在降低NOx的同时会带来较大的循环变动，从而限制了EGR的使用比例。有研究表明，采用EGR和稀燃技术都可有效降低NOx的排放。文献[12]中在一台天然气发动机上开展了不同掺氢比和EGR率下发动机性能和排放的试验研究，结果表明，引入EGR后发动机的输出功率会下降，但掺氢可以提高EGR工况下的输出功率，且使NOx降低效果在大掺氢比下更显著。文献[13]中研究发现稀燃也能降低NOx排放，且掺氢能拓展稀燃极限。然而，进气道喷氢会带来早燃、回火和爆震等异常燃烧；缸内直喷式掺氢内燃机能够提高过量空气系数和压缩比，有效避免早燃，消除回火，提高输出功率，改善热效率[14]。

进气道喷氢有容易爆震、早燃、回火和输出功率低等缺陷，而缸内喷氢由于采用氢气直接进入缸内的方式，可有效提高充量系数，同时可选择压缩冲程喷射，且喷射压力选择范围较广，有利于在缸内火花塞附近形成局部富氢的分层混合气，这对于提高燃烧热效率和提高燃烧稳定性有显著作用。缸内喷氢不仅能抑制预混喷氢带来的异常燃烧，且能进一步提高压缩比,补偿热效率，改进发动机的整体性能[15]。但国内外还鲜见氢气缸内直喷结合EGR时掺氢发动机的性能及排放方面的研究，且当前大多数研究是基于进气道喷氢[16-18]，因此开展缸内喷氢配合EGR技术对发动机性能与排放的影响研究十分必要。本文中在一台改装的汽油机上开展了缸内喷氢协同EGR作用时汽油机性能和排放的研究，分析了不同EGR率和不同掺氢比下汽油机动力性、经济性和燃烧与排放特性的变化规律。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

试验对象是由一台4缸点燃式汽油机改装而成的氢气缸内直喷、汽油进气道喷射的双燃料发动机，原发动机的技术参数如表1所示。为实现氢气/汽油双燃料的复合喷射，原发动机改装为氢气缸内直喷，在进气道加装汽油喷射系统，使发动机具有两套燃料喷射系统，以实现汽油和氢气分别在进气道、缸内喷射。利用自主开发的双燃料电子控制单元(ECU)可实现发动机喷氢提前角、喷氢脉宽和喷油脉宽的在线调制，改装后的发动机可实现氢气和汽油喷射的精确控制。

表1 试验用发动机主要参数

发动机试验系统布局示意图如图1所示。本试验采用凯迈(洛阳)CW160型电涡流测功机，控制系统为FST-OPEN测控系统，实现对瞬时转速及各缸温度的采集。采用AVL Kistler 2614B4气缸压力传感器，配用AVL的CHANGE AMPLIFIER 3057-01电荷放大器，实时采集缸压信号。采用AVL DiGas 4000 Light五组分尾气分析仪，测量NOx，HC和CO的排放。采用ETAS Lambda Meter 4宽频氧传感器。废气经过中冷器和EGR阀引入进气管，通过调节EGR阀的开度来实现不同的EGR率。氢气喷射器位于每缸两个进气门的正中偏下位置，火花塞布置在燃烧室正中央。喷射氢气采用BOSCH公司的喷嘴，其轴线与火花塞轴线夹角为60°，该喷嘴为6孔环状结构，喷孔直径为0.18mm。考虑到氢气供给装置的存储能力，氢气直喷喷嘴的喷射压力范围为0～10MPa。原机结构具有涡流控制阀和有利于气流运动的活塞顶面形状。因此，当该发动机运行在中小负荷时，会在燃烧室内随着活塞上行，而形成强烈的滚流运动，从而有利于缸内直喷燃料和新鲜充量的混合。若喷射时刻在压缩冲程，则会随着气流运动形成浓度不同的分层混合气。

图1 试验系统布局示意图

1.2 试验方法

采用改变单因素法试验研究。选取发动机转速为1 500r/min，节气门开度为14%，固定点火正时为11°CA BTDC，过量空气系数为1.0，氢气喷射压力为2MPa，整个试验过程中冷却液温度为85℃，保持不变。基于课题组前期的试验研究结果，发现氢气喷射时刻选择在压缩冲程的110°CA BTDC，缸内可形成较好分层效果的混合气，且获得良好的整机性能，故本研究的喷氢时刻设定为110°CA BTDC。试验中通过改变喷氢脉宽实现掺氢比例的变化与控制，掺氢比分别为0，5%，10%，15%和25%，EGR率分别为0，5%，10%，15%和20%。在这些工况下，开展了掺氢比和EGR率对缸内喷氢汽油机性能与排放的影响研究。

本文中的掺氢比和EGR率定义如下。

掺氢比选择为热量比，相应的表达式为

(1)

式中：φH2为掺氢比；qH2和qgas分别为由氢气和汽油产生的热量。

EGR率是引入进气管中CO2与排气管中CO2的体积比值，定义为

(2)

式中：ηEGR为引入的EGR率；βCO2 in和βCO2 out分别为进气管与排气管中的CO2体积百分比；βCO2 air为空气中的CO2体积百分比。

2 试验结果与分析

2.1 动力性与经济性

图2所示为不同EGR率下发动机转矩随掺氢比的变化关系。由图可见，对于给定的EGR率，当掺氢比从0变化到5%时，转矩迅速增加；当掺氢比由5%升至25%时，转矩基本不变或反而有所下降。这是因为氢气火焰传播速率快，少许的氢气掺混能够有效提高混合气的燃烧速度，从而使缸内混合气燃烧更加充分，致使发动机转矩大幅增大；随着掺氢比的进一步增加，混合气的燃烧状态对氢气不再敏感，故转矩仅有小幅提高。纯汽油工况下，随着EGR率的增加，发动机转矩不断降低，这是由于随着EGR的增大，引入缸内的废气增多，燃烧速率降低，燃烧相位滞后，主要燃烧放热过程在膨胀行程的比例增加，传热损失增大，从而导致转矩降低。但是，掺氢后转矩不再随着EGR率的增加而降低，基本上处于平稳状态，甚至有小幅增长的趋势。因为氢气加入时，氢气燃烧速度快的优点弥补了EGR对缸内燃烧的影响，使转矩趋于平稳。

图2 不同EGR率下转矩随掺氢比的变化关系

图3给出了有效燃油消耗率与掺氢比和EGR率的关系。由图可见，在固定的EGR率时，发动机的有效燃油消耗率随掺氢比的增加而降低，且在小掺氢比时效果更加显著。这是因为掺氢可以明显提高混合燃料火焰传播速率，提高混合气的燃烧等容度，有效改善缸内混合气燃烧过程。由于本研究采用热值法确定掺氢比，因此由图可见，纯油到掺氢5%时，发动机有效燃油消耗率下降幅度很大，但随着掺氢比的进一步增大，其有效燃油消耗率呈现小幅降低甚至增大的趋势。其原因在于，燃料的总热值保持不变，通过改变氢气的喷射量来改变掺氢比，故随掺氢比进一步增大，燃料有效燃油消耗率变化平缓。对于给定的掺氢比例，随着EGR率的增大，有效燃油消耗率呈现先减小后增加的趋势。小EGR率时，由于废气对进气充量的加热作用，有利于提高火焰传播速率，使得燃油消耗率降低；随着EGR率的进一步增大，引入废气对缸内燃烧温度降低和火焰传播速度降低的影响较大，燃烧放热持续期延长，燃烧放热的等容度降低，可能出现部分燃烧的现象，因此有效燃油消耗率随着EGR率的进一步增加而增加。

图3 不同EGR率下有效燃油消耗率 随掺氢比的变化关系

2.2 燃烧特性

图4给出了0，5%和25% 3种掺氢比下，EGR率与缸内压力的变化关系。由图可见，在不同掺氢比下，随着EGR率的增加，缸内压力逐渐降低，且最大缸内压力出现的时刻推迟。这是由于引入EGR，废气与缸内可燃混合气混合，降低了缸内燃烧速度，延长了整个燃烧过程，使得更多的燃烧过程发生在膨胀行程中，热损失增加，循环指示功降低，导致缸内压力降低，同时最大缸内压力出现的时刻推迟。由图4(a)可知，在纯汽油燃烧模式下，缸内压力变化曲线出现两个峰值，分别产生于压缩行程和上止点之后，且第二个峰值大于第一个。这是因为，压缩行程末期，活塞上行压缩缸内混合气，此时缸内混合气没有大面积燃烧或是处于小部分燃烧状态，使得上止点之前出现较小的缸内压力峰值；当缸内混合气燃烧充分时，放热对外做功，产生最大缸内压力。由图4(b)和图4(c)可知，掺氢对于燃烧过程的改善作用明显，缸内压力明显高于纯汽油时，缸内压力曲线变得更加平滑，而且没有产生两个峰值。这是由于氢气的加入使得火焰传播速度加快，此时缸内燃烧速度增大，燃烧持续期缩短，做功放热相对集中，燃烧等容度增大，导致燃烧过程更加快速，因此缸内压力曲线变化平滑，且其缸压峰值增大。其中，掺氢比为25%时，缸内压力随着EGR率的变化趋势与5%掺氢比时相同，但此掺氢比对燃烧过程的改善效果更加明显。

图4 3种掺氢比下EGR率与缸内压力的变化关系

图5给出缸压峰值pmax与掺氢比φH2和EGR率ηEGR的变化关系。由图可见，缸压峰值随着掺氢比的增大而逐渐增加。小掺氢比时，掺氢比例由0增大到5%，缸压峰值提高幅度很大，而后随着掺氢比的进一步增大，缸压峰值增加幅度减小，缸压峰值逐渐趋于平稳状态。这是因为小掺氢比下，氢气的加入可显著改善缸内燃烧效果，明显提高缸内火焰传播速率，缩短燃烧持续期，使得缸内燃烧放热更加集中，大幅增加缸压峰值。但当掺氢比超过一定比例后，氢气对于燃烧速率的提高作用不如小掺氢比时显著，对缸内燃烧状态的影响作用不大，因此缸压峰值pmax随着掺氢比的进一步增加而趋于平稳变化，整体仍处于增加趋势。

从图5纵向来看，不同掺氢比下，随着EGR率的增加，缸压峰值显示出先增加后减小的变化规律。其原因是废气中含有大量H2O和CO2等大比热容的燃烧产物，EGR的引入使缸内混合气被稀释，且混合气的比热容增大，缸内温度降低，导致混合气的燃烧速度下降，发动机输出功率降低；同时随着EGR率的增加，进入进气管中的废气量增多，占据了一部分进气量，导致进入缸内的新鲜充量减少，混合气热值降低，燃烧放热量降低，使缸压峰值减小。

图5 掺氢比和EGR率对缸压峰值的影响

图6为缸压峰值对应的位置θPmax与掺氢比φH2和EGR率ηEGR的变化关系。由图可见，在给定的EGR率下，随着掺氢比的增加，缸压峰值出现的时刻逐渐提前，而且在小掺氢比时，提前效果显著。这是因为掺氢可以明显提高火焰传播速率，增大缸内混合燃料的燃烧速度，提高燃烧等容度，燃烧放热相对集中，燃烧持续期缩短，使得缸压峰值位置提前，这些影响在大掺氢比条件下效果更加明显，可见氢气对于改善燃烧作用显著。另外，在不同掺氢比下，随着EGR率的增加，缸压峰值出现的位置逐渐推后。这是由于EGR的引入，使废气进入缸内，降低了燃烧速度和燃烧等容度，延长了燃烧持续期，导致缸压峰值出现时刻推迟。且在掺氢比为0时，缸压峰值位置较其他掺氢比下均明显推迟，表明掺氢对于改善缸内燃烧作用明显。

图6 掺氢比和EGR率对缸压峰值位置的影响

图7给出了放热率中心(CA50)与掺氢比φH2和EGR率ηEGR的变化关系。由图可见，在同一EGR率条件下，随着掺氢比的增加，燃烧的放热率中心逐渐靠近压缩上止点，并在掺氢比从0到5%时出现大幅前移，在掺氢比进一步增大时，放热率中心向上止点移动的幅度减小。其原因主要是在纯油时掺入少量氢气，由于氢气有着点火能量低、火焰传播速度快等特点，缸内混合气对此较为敏感，并且氢气采用缸内直喷的方式进入缸内，且与预混进入缸内的汽油混合气形成火花塞周围局部富氢的分层混合气，同时引燃氢气并快速传播至整个燃烧室，使得燃烧持续期缩短，燃料燃烧放热过程更加集中，因此放热率中心前移靠近上止点，这对于提高发动机热效率和动力性有着明显的改善作用。随着掺氢比的进一步增加，缸内混合气对于氢气不再敏感，使变化趋缓。对于给定的掺氢比，随着EGR率的增加，放热率中心逐渐远离上止点，且在大EGR率时放热率中心远离上止点的幅度加大。这是因为废气的引入降低了缸内燃烧温度，且废气中的大比热容分子较多，减小了燃料燃烧速率，降低了缸内火焰传播速度，燃烧持续期延长，燃烧等容度下降，使得燃烧过程变慢，燃烧放热不够集中，放热率中心后移远离上止点，但总的变化幅度不大。EGR的引入使得燃烧速度降低，可以通过掺入定量的氢气得到有效改善，且在大EGR率时，氢气的改善效果会更加明显。

图7 掺氢比和EGR率对放热率中心的影响

图8给出了发动机平均指示压力的循环变动系数COVIMEP与EGR率和掺氢比的关系。由图可见，随着掺氢比的增加，平均指示压力的循环变动系数先快速降低后逐渐减小。小EGR率时COVIMEP保持在很低的数值，掺氢比对其影响不明显；大EGR率时COVIMEP随掺氢比的增加而迅速降低。这是因为大EGR率时火焰传播速度较慢，氢气的加入能明显加快火焰传播速率，这表明掺氢能增大EGR的容忍度[19-20]。在相同掺氢比条件下，随着EGR率的增加，循环变动系数呈现增大的趋势。在掺氢比为0，当EGR率小于10%时，平均指示压力的循环变动系数随着EGR率的增大幅度较小；当EGR率超过10%时，平均指示压力的循环变动系数随EGR率的增加而迅速增加。这是因为较小的EGR对燃烧有一定的促进作用，当EGR继续增大，EGR对缸内混合气的稀释作用占据主导，使得滞燃期延长，火焰传播速度降低，平均指示压力的循环变动系数增大。掺氢后着火滞燃期缩短，火焰传播速度增加，因此掺氢可有效降低燃烧过程的循环变动，尤其在大EGR率下效果更加明显。

图8 平均指示压力循环变动系数COVIMEP与EGR和掺氢比的关系

2.3 排放特性

图9给出了HC排放与EGR率和掺氢比的关系。由图可见，HC排放随着EGR率的增加而增加，这种变化趋势在掺氢比为0时更加明显。在纯汽油情况下，随着EGR率的增加，HC排放呈现上升的趋势，在有掺氢的情况下，HC排放平稳，几乎不变。此后随EGR率进一步增加，HC排放有较大的增加。这是因为随着EGR率的增大，火焰传播速度、缸内燃烧温度和HC的后氧化能力降低，不完全燃烧发生的几率增大，导致HC排放增加。另外，引入EGR后阻碍了燃烧，降低了混合气中氧浓度，导致HC排放升高。在纯汽油、EGR率为20%时出现HC激增的情况。HC排放出现明显增加的EGR率在大掺氢比下有所提高，表明掺氢可以保证更大的EGR率下稳定燃烧。

图9 HC排放与EGR率和掺氢比的关系

由图9还可以看出，EGR率一定时，随着掺氢比的增加，HC排放逐渐下降，且在小掺氢比时下降幅度更大。这是由于掺氢能加快混合气的燃烧速度，提高燃烧温度，改善了缸内燃烧状态，促进HC氧化；氢气的淬熄距离短，有效降低了壁面激冷和罅隙效应产生的未燃HC排放。另外，氢气本身不含碳元素，燃烧产物没有HC，掺氢之后燃料中的碳氢比降低。因此，HC排放随着掺氢比的增加而降低。从图中还可以看出，随着掺氢比的进一步增大，不同EGR率对HC排放的影响要小于纯汽油时的影响，表明掺氢能够提高发动机对EGR的容忍度。

图10给出了CO排放与EGR率和掺氢比的关系。由图可知，在小EGR率时，CO排放随着EGR率的增加变化不大或略有降低；随着EGR率的进一步增加，CO排放逐渐降低。这是因为CO的产生主要是由于燃烧不充分，EGR使引入的废气重新获得氧化燃烧，降低了CO排放；另外，CO的生成主要与空燃比有关，由于本试验研究均在过量空气系数为1.0下进行，CO排放本身就低。纵观图10可知，随着掺氢比的增加，CO排放呈现降低的趋势。其原因是掺氢加快了燃烧速度，燃烧温度提高，改善了燃烧性能，不完全燃烧减少；另外，氢气不含碳元素，燃烧时不会产生CO，导致CO排放降低。

图10 CO排放与EGR率和掺氢比的关系

图11为NOx排放与EGR率和掺氢比的关系。由图可见，随着EGR率的增大，NOx排放明显降低，且这种效果在大EGR率下更加明显。这是因为引入EGR后混合气中的燃料量减小，由于废气的稀释作用使燃烧速率降低，且废气中CO2和H2O的比热容较大，燃烧放热量减小，使燃烧温度降低，抑制了NOx的生成。由图还可以看出，随掺氢比的增加，NOx排放会逐渐增加。其原因是氢气具有较高的火焰传播速度，随着掺氢比的提高，火焰传播速度加快，缸内燃烧温度增加，导致NOx排放升高。NOx排放随着掺氢比的增加趋势在小EGR率下更为明显；在大EGR率下，由于废气的大量引入使得缸内燃烧温度降低幅度很大，因此NOx排放随掺氢比的增加变化不明显，仅呈现略增加趋势。因此，掺氢协同EGR作用时，可以实现发动机高效低排放燃烧。

图11 NOx排放与EGR率和掺氢比的关系

3 结论

本文中在一台改装的火花点火直喷汽油机上开展了氢气缸内喷射协同EGR对汽油机燃烧与排放影响的试验研究，所得结论如下。

(1)对于给定的掺氢比，转矩随EGR率的增加而减小。掺氢能有效提高转矩，随着掺氢比的增加，转矩逐渐增大，在掺氢比从0到5%时，增加幅度更加明显。

(2)掺氢比一定时，随着EGR率的增大，有效燃油消耗率呈现先减小后增加的趋势。掺氢能明显提高发动机的经济性，随着掺氢比的增加，有效燃油消耗率随之降低。

(3)掺氢有效地加快了燃烧速率，缩短了燃烧持续期，缸压峰值随着掺氢比增加而增大，且其对应的位置提前。同时燃烧放热率中心随着掺氢比的增大逐渐靠近上止点，但EGR的引入降低了火焰传播速度，而掺氢能有效补偿这种效果，尤其是大EGR率。

(4)掺氢比一定时，平均指示压力循环变动系数随EGR率的增加而增大。掺氢比的增加可有效降低循环变动系数，掺氢能明显增大发动机的EGR容忍度。

(5)NOx排放随EGR率的增大而明显降低，这种降低效果在大掺氢比时更加明显；随掺氢比的增加，NOx排放逐渐增加。HC和CO的排放随着EGR率的增加呈现不规则变化，保持平稳变化或是略有降低，随掺氢比的增大而降低。

(6)在氢气缸内直喷协同EGR作用下，发动机可获得较好的综合性能。

[1] AMROUCHE F, ERICKSON P, PARK J, et al.An experimental investigation of hydrogen enriched gasoline in a Wankel rotary engine[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014,39:8525-8534.

[2] VERHELST S, SIERENS R, VERSTRAETEN S. A critical review of experimental research on hydrogen fueled SI engines[C]. SAE Paper 2006-01-0430.

[3] 汪硕峰，纪常伟，张旻玥，等.混氢对汽油机循环变动及稀燃极限的影响[J].内燃机学报，2010,28(3)：235-239.

[4] PANA C, NEGURESCU N, POPA M,et al.An investigation of the hydrogen addition effects to gasoline fueled spark ignition engine[C].SAE Paper 2007-01-1468.

[5] JI Changwei, WANG Shuofeng.Combustion and emissions performance of a hybrid hydrogen-gasoline engine at idle and lean conditions[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2010,35:346-355.

[6] 郭林福,石滨,张欣,等.点火时刻对缸内直喷低热值气体燃料掺氢燃烧发动机性能影响的试验[J].北京交通大学学报，2013,37(6)：27-33.

[7] 王金华，方宇，黄佐华，等.直喷式发动机燃用天然气掺氢混合燃料放热规律与燃烧特征参数分析[J].燃烧科学与技术，2008,14(2)：107-112.

[8] ZHANG Bo, JI Changwei, WANG Shuofeng.Combustion analysis and emissions characteristics of a hydrogen-blended methanol engine at various spark timings[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2015,40:4707-4716.

[9] Akif Ceviz M, Asokk Sen, Alpk Küleri, et al.Engine performance, exhaust emissions, and cyclic variations in a lean-burn SI engine fueled by gasoline-hydrogen blends[J]. Applied Thermal Engineering, 2012,36:314-324.

[10] 王磊,方俊华,黄震.纯氢和天然气掺氢燃料发动机的试验研究[J].柴油机，2009,31(5)：6-10.

[12] 胡二江,黄佐华,刘兵,等.火花点火发动机燃用CNG/H2混合燃料配合EGR的性能和排放研究[J].内燃机学报，2009,27(5)：385-394.

[13] MA Fanhua, WANG Yu, LIU Haiquan,et al.Experimental study on thermal efficiency and emission characteristics of a lean burn hydrogen enriched natural gas engine[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2007,32:5067-5075.

[14] 杜明侠，郭浩，王俭国.氢在内燃机上的应用研究[J].华北水利水电学院学报，2013,34(1)：114-118.

[15] WHITE C M, STEEPER R R, LUTZ A E. The hydrogen-fueled internal combustion engine: a technical review[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2006,31:1292-1305.

[16] SHIVAPRASAD K V, CHITRAGAR P R, KUMAR G N. Effect of hydrogen addition on combustion and emission characteristics of high speed spark ignition engine-an experimental study[C]. SAE Paper 2015-01-1684.

[17] Tarkan Sandalc, Yasin Karagöz. Experimental investigation of the combustion characteristics, emissions and performance of hydrogen port fuel injection in a diesel engine[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014,39:18480-18489.

[18] TAAMALLAH S, VOGIATZAKI K, ALZAHRANI F M, et al. Fuel flexibility, stability and emissions in premixed hydrogen-rich gas turbine combustion: technology, fundamentals, and numerical simulations[J]. Applied Energy, 2015,154:1020-1047.

[19] ZHANG Xin, XU Jian, ZHENG Shizhuo, et al.The experimental study on cyclic variation in a spark ignited engine fueled with biogas and hydrogen blends[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013,38: 11164-11168.

[20] 黄彬，胡二江，黄佐华，等.火花点火天然气掺氢发动机集结合EGR时的循环变动规律[J].内燃机学报,2011,29(1):16-22.

A Study on the Collaboration Effects of Hydrogen Direct-injection and EGR on the Combustion and Emissions of Gasoline Engine

Yu Xiumin, Wu Haiming, Du Yaodong, Liu Lin, Niu Renxu & Dong Wei

JilinUniversity，StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl，Changchun130022

For revealing the improvement effects of hydrogen on the combustion of traditional fuel, an experimental study on the performance and emission of a compound fuel injection spark-ignition dual-fuel engine (hydrogen in-cylinder direct injection and gasoline port injection) with exhaust gas recirculation (EGR) device under different hydrogen fractions and EGR rates. The results indicate that the introduction of EGR reduces engine torque and hydrogen addition can effectively increase engine torque. Effective specific fuel consumption shows a trend of deducing first then increasing with the rise of EGR rate, but can be lowered by hydrogen addition with the fuel economy of engine improved. With the increase of EGR rate, cylinder pressure peak rises first then falls, with corresponding timing retards. The cyclic variation coefficient of mean indicted pressure rises with the increase of EGR rate, but can be effectively lowered by hydrogen addition. With hydrogen added into gasoline, the emission of NOxincreases, but which can be effectively lowered by the introduction of EGR, being more apparent in large hydrogen fraction. The emissions of HC and CO increase with the rise of EGR but decrease with hydrogen fraction. To sum up, under the collaboration of EGR and hydrogen in-cylinder direct injection, the engine can achieve better overall performance.

gasoline engine; hydrogen direct-injection; EGR; combustion; emissions

*国家自然科学基金(51276079)、高等学校博士学科点专项科研基金(20110061110032)和吉林大学研究生创新基金项目(2016022)资助。

原稿收到日期为2016年2月19日，修改稿收到日期为2016年4月18日。