掺氢比和废气再循环率对天然气发动机性能的影响

2021-01-13董永超马志豪马凡华

河南科技大学学报(自然科学版) 2021年2期

董永超，马志豪，王鑫，马凡华

(1.河南科技大学车辆与交通工程学院，河南洛阳 471003；2.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

0 引言

天然气掺氢(hydrogen enriched compressed nature gas，HCNG)燃料是在天然气中掺入一定比例的氢气，加快混合燃料的燃烧速率，拓宽混合燃料的稀燃极限，提高燃烧的定容度，进而使燃烧的效率得到提高[1-2]。由于氢气制备成本高和氢气发动机技术等方面的原因，天然气掺氢混合燃料是氢能在发动机上应用比较有前途和较为可行的方式。

大量研究表明：天然气掺氢虽然在增加热效率的同时可以降低CO的排放，但是过高的燃烧温度同时也导致了NOX排放的增加[3-6]。目前，降低HCNG发动机NOX排放的主要方法是采用废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)技术和稀燃技术。文献[7-8]在一台天然气掺氢发动机上结合EGR技术进行了发动机的燃烧和排放特性试验，研究结果表明：引入EGR后可以在一定程度上提高有效热效率，并显著降低NOX排放。文献[9]在一台天然气/氢气混合燃料的缸内直喷发动机上，通过引入EGR研究了掺氢比、EGR率及燃料喷射时刻对发动机性能和排放的影响，结果表明：NOX排放随EGR率的增大而下降，随掺氢比的增加而上升。文献[10]在稀燃条件下研究了天然气掺氢发动机的热效率与排放性能，发现在最佳点火提前角(minimum spark advance for best torque,MBT)掺氢，可以一定程度上提高发动机的指示热效率，降低未燃CH4和CO的排放，改善NOX与未燃碳氢的权衡关系。纯天然气结合EGR的燃烧与排放特性方面的研究已有很多[11-12]，但是HCNG结合EGR方面的研究还相对较少，且已有的研究都是在节气门全开的条件下进行的，对部分节气门开度下HCNG结合EGR的性能和排放的研究，尚缺少充分的数据积累。车用发动机经常在部分负荷工况运转，因此，开展部分节气门开度下点火提前角对HCNG结合EGR技术的发动机性能和排放特性的研究具有重要意义。

1 试验设备和试验方法

本试验所使用的发动机为潍柴动力股份有限公司生产的WP7NG240E51型长行程天然气发动机，该发动机采用涡轮增压加中冷，电控单点喷射，其基本参数如表1所示。

表1 WP7NG240E51型天然气发动机基本参数

台架试验在洛阳凯迈机电设备制造有限公司生产的CW260型电涡流测功机系统上开展。日本IBA公司生产的MEXA-7100EGR型排放分析仪用于测量有害物排放。废气经过中冷器和EGR 阀引入进气管。试验过程中，中冷器的冷却水流量固定不变，EGR率通过控制EGR阀开度实现，所有EGR率的控制与调节方式均为开环调节，EGR的进气在增压器前端，即低压EGR。在试验过程中可以通过调节不同的H/C值来测量不同掺氢比条件下的气体排放。掺氢比和EGR控制系统如图1所示。

图1 掺氢比和EGR控制系统

掺氢比控制系统的主要原理是在天然气管道中安装一个科里奥利力流量计，直接测量天然气流量，并控制氢气流量，进而得到目标掺氢比。发动机的进气量通过热气体质量流量计(型号为Toceil20N100114LI)测量，其测量范围为0～1 000 m/h，测量精度为1%，响应时间为10 ms。天然气和氢气流量由DMF-1-1-5型科式流量计测量，其测量范围为0～40 kg/h，测量精度为0.2%。缸压数据用奇石乐公司生产的6118CF-4CQ03-4-1型压电传感器采集。

试验时，发动机转速为1 000 r/min，节气门开度固定为50%，EGR率以掺氢比为0%时原机EGR率为基准，基准EGR率为10.8%，下限为0%，上限为每个掺氢比在试验中所容许的最大值。试验过程中，调节点火提前角到最佳(maximum brake torque，MBT)，氧传感器安装在排气侧，用来实时测量发动机排气中的氧含量，并将空燃比信号传递给电子控制单元(electronic control unit,ECU)，在不同掺氢比和EGR率下维持过量空气系数φa=1。每个工况连续采集101个循环的缸内压力数据，取其平均值用于计算放热率等燃烧特性参数。

2 试验结果与分析

2.1 最佳点火提前角确定

图2给出了不同掺氢比下最佳点火提前角与EGR率之间的关系。由图2可知：在相同掺氢比下，最佳点火提前角随着EGR率的增大而增大。这是由于随着EGR率的增大，进入气缸的废气增多，对进入气缸的新鲜充量的稀释作用增强，降低了气缸内的氧浓度，而且火花塞从点火到形成火核的时间变长，火焰传播速度变慢，燃烧速度下降，后燃加重。因此，随着EGR率的增大，需要增大点火提前角，才能减少活塞在膨胀做功冲程中的热损失，提高燃烧的定容度，从而提高发动机的循环热效率。

图3给出了不同EGR率下最佳点火提前角与掺氢比之间的关系。从图3中可以看出：随着掺氢比的增加，最佳点火提前角减小。一方面，由于氢气被点燃所需要的能量远小于天然气；另一方面，混合气层流燃烧速度的增长幅度随着氢气比的增大而增大[13]，这是因为在相同条件(初始压力、温度、当量比)下，氢气燃烧速度高于以甲烷为主的天然气。随着掺氢比的提高，混合气燃烧时火焰传播速度越来越快，火花塞从点火到形成火核的时间越来越短。若点火提前角仍然保持不变，会增加燃料在压缩行程的燃烧比例，导致压缩负功变大，压力升高率也急剧升高，发生爆燃的可能性增大。因此，随着掺氢比的提高，需要减小点火提前角来降低压缩负功和压力升高率，降低爆震发生的可能性，提高发动机的输出功率，降低发动机的燃油消耗率。

图2 最佳点火提前角与EGR率之间的关系

图3 最佳点火提前角与掺氢比之间的关系

2.2 掺氢比和EGR率对发动机放热规律的影响

为了给后续的性能与排放分析提供理论依据，比较了不同条件下的累计放热量和瞬时放热率。图4a和图4b分别是在掺氢比为0%和50%时的累计放热量。由图4a和图4b可知：随着EGR率的增加，累计放热量有所降低，放热量的斜率也有所降低，即放热速率也有所下降。相同EGR率下，掺氢比为0%和50%的累计放热量差距不大。图4c和图4d分别是掺氢比为0%和50%时不同EGR率下的瞬时放热率曲线，同时在图中标注出了不同EGR率下从点火到放热率达到最大值所经历的曲轴转角。由图4c和图4d可知：在相同掺氢比下，随着EGR率的增大，燃烧的放热率峰值降低，从点火到放热率达到最大值所经历的曲轴转角增加，若保持点火提前角不变，放热率峰值所对应的曲轴相位一定会有所推迟。当掺氢比为0%，EGR率大于20.8%时，缸内温度已经很低，继续增加EGR对放热率峰值的影响并不明显，反而会导致放热率峰值的大幅度推迟，还可能会造成严重的失火现象，故掺氢比为0%，EGR率大于20.8%时的放热率在图中不予考虑。综合图4a～图4d还可以看出：掺氢比对累计放热量和放热率峰值的影响并不明显，当掺氢比为0%时，随着EGR率的增大，从点火到放热率达到最大值所经历的曲轴转角的变动也很大，点火需要大幅度提前；而当掺氢比为50%时，随着EGR率的增大，从点火到放热率达到最大值所经历的曲轴转角的变动很小，燃烧相对稳定，因此掺氢可以提高EGR的使用比例。

2.3 掺氢比和EGR率对动力经济性的影响

图5给出了不同掺氢比下平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)与EGR率之间的关系。从图5中可以明显看出：无论在何种掺氢比下，平均有效压力都随着EGR率的增大而降低。随着EGR率的增大，跟随新鲜空气一起进入发动机气缸的废气量增加，这就减少了新鲜充量所占的比例，进入气缸内燃料的总热值降低，燃烧放热量下降，导致平均有效压力降低；由于EGR具有稀释作用，导致缸内的混合气浓度下降，燃烧速率变慢，燃烧相同质量的燃料时功率下降。

图6给出了不同EGR率下平均有效压力与掺氢比之间的关系。由图6可知：平均有效压力随着掺氢比的增加呈略微下降的趋势，且掺氢比越大，下降的趋势越小。在掺氢比不大时，一方面，由于氢气会占据部分进气管，使在相同节气门开度时进入气缸的空气量减少，如果维持过量空气系数φa=1，一定会使进入气缸的混合气量减少，平均有效压力降低；另一方面，由于氢气的体积热值仅为天然气的1/3左右，天然气掺入氢气后相同体积的燃料热值下降，且氢气的壁面淬熄距离也仅为天然气的1/3左右，因此传热损失也有所增加[14]，从而使平均有效压力略有下降。但是随着掺氢比的增加，火焰传播速率越来越快，缩短了燃烧持续期，提高了燃烧的定容度，减小了热损失，从而导致平均有效压力提高。这几种因素的综合作用导致随着掺氢比的增加，平均有效压力下降得越来越慢。由图6还可以看出：在相同掺氢比时，平均有效压力随EGR率的增加有较大降幅。

图7给出了不同掺氢比下有效热效率与EGR率之间的关系。从图7中可以看出：在不同掺氢比条件下，有效热效率随着EGR率的增大呈现出先升高再降低的趋势，在掺氢比为30%及以下时，有效热效率的最大值出现在EGR率为10.8%附近；在掺氢比为40%以上时，有效热效率最大值出现在EGR率为15.8%附近。这一结果说明：随着掺氢比的增加，有效热效率峰值向高比例EGR率移动。在EGR率不大时，有效热效率随EGR率的增大而升高，可能原因为：引入废气后缸内气体的比热比增大，从而提高热效率；部分节气门开度下，EGR可以降低泵气损失，从而提高有效热效率；EGR中存在部分活性自由基，对燃烧过程也起到一定改善作用[15]。随着EGR率的进一步增大，废气对混合气的稀释作用越来越强，降低了缸内燃烧温度和氢气的火焰传播速度，使燃烧放热持续期增加，缸内压力下降，燃烧的定容度降低，从而使有效热效率显著降低，且掺氢比例越低，有效热效率下降的趋势越明显。

图5 平均有效压力与EGR率之间的关系

图6 平均有效压力与掺氢比之间的关系

图8给出了不同EGR率下有效热效率与掺氢比之间的关系。由图8可知：在EGR率小于15.8%时，有效热效率随着掺氢比例的增加而略有下降。尽管小EGR率可以减少进气过程的泵气损失，掺氢对提高混合气的火焰传播速率也有利，但掺氢后氢气会占据部分进气管，导致混合气的体积热值降低，燃烧放热率下降，有效功率下降。上述原因综合作用，使有效热效率随着掺氢比的增加而呈现出略有下降的趋势。在EGR率大于15.8%时，有效热效率随着掺氢比的增加有所增加。在较大EGR率下，EGR对泵气损失的减少作用越来越明显，同时掺氢成为提高火焰传播速率的主要因素，所以随着掺氢比的增加，有效热效率也有所增加。

图7 有效热效率与EGR率之间的关系

图8 有效热效率与掺氢比之间的关系

2.4 掺氢比和EGR率对发动机排放的影响

图9给出了不同掺氢比下NOX排放量与EGR率之间的关系。由图9可知：在不同掺氢比下，NOX的排放量都随着EGR率的增大而下降。EGR使NOX排放量降低的主要原因是废气对新鲜充量的稀释作用，也有部分观点认为是由于EGR对缸内的降温效应[16]。在EGR率较小时，随着EGR率的增大，对NOX排放量的降低作用明显；而当EGR率大于25.8%以后，NOX排放量随着EGR率的继续增大而下降缓慢。这是由于当EGR率为25.8%左右时，缸内温度已经很低，继续增加EGR率对缸内温度的降低作用并不明显，缸内的失火现象加重，大量燃料不能完全燃烧，导致发动机的功率和有效热效率都急剧下降。

图10给出了不同EGR率下NOX排放量与掺氢比之间的关系。由图10可知：NOX的排放量随着掺氢比的增加而稍有增加。在较小EGR率下，过量空气系数一定，反应的氧浓度基本没有发生变化，由于氢气具有较高的火焰传播速度，随着掺氢比的增加，火焰传播速度越来越快，燃烧的定容度越来越大，缸内燃烧温度升高，这是导致NOX排放量增加的主要原因。在EGR率较大时，掺氢比的增加对排放量的影响很小，这是由于在大EGR率下，缸内温度已经很低，而且由于节气门开度不变，掺氢比增加，在维持过量空气系数不变的前提下，燃料量减少，使得燃烧放热量降低，缸内最高燃烧温度降低，掺氢对火焰传播速度的提高几乎可以忽略不计，因此大EGR率下的NOX排放量一直维持在较低的水平。

图9 NOX排放量与EGR率之间的关系

图10 NOX排放量与掺氢比之间的关系

图11给出了不同掺氢比下CO排放量与EGR率之间的关系。由图11可知：随着EGR率的增大，CO排放量的变化不大，这是由于CO排放量主要与空燃比有关[17]，由于整个试验过程的过量空气系数都控制在1.0左右，CO排放量的变化也不是很高，所以相同掺氢比下CO排放量随EGR率增大的变化幅度并不是很大。图12给出了不同EGR率下CO排放量与掺氢比之间的关系。从图12中可以明显看出：随着掺氢比的增加，CO的排放量降低，且掺氢比例越大，CO排放量降低得越明显。掺氢后，混合物的H/C值增加，HCNG混合气的C含量相对减少，掺氢比例越大，H/C值上升得越快，燃烧生成CO产物的量也会减少。此外，掺氢后混合气的燃烧速率加快，缸内燃烧温度提高，燃烧得到改善，不完全燃烧现象减少，CO排放量降低。

图11 CO排放量与EGR率之间的关系

图12 CO排放量与掺氢比之间的关系

图13给出了不同掺氢比下HC排放量与EGR率之间的关系。由图13可知：随着EGR率的增大，HC的排放量也随之增加，且同一掺氢比下HC生成的速率有增加趋势。HC排放量增加的原因主要有：随着EGR率的增大，可燃混合气变稀，缸内最高燃烧温度降低，不完全燃烧和失火的可能性增加，具体表现为气缸壁温度降低，壁面淬熄产生的未燃HC增加；随着EGR率的增大，缸内的火焰传播速度降低，导致燃烧持续期变长，在膨胀中期，仍然有大量混合气燃烧，活塞膨胀导致气缸内的燃烧温度下降，低于HC的氧化温度时，大量HC不能被有效氧化，产生“冻结”现象，在排气冲程中被排出气缸；随着EGR率的增大，排温降低，排气中未燃HC的氧化量减少，造成排放增加。

图14给出了不同EGR率下HC排放量与掺氢比之间的关系。由图14可知：随着掺氢比的增加，HC的排放量有所降低。掺氢后火焰传播速度提高，缸内燃烧温度提高，HC的后期氧化量增加；掺氢后混合燃料中H/C值提高，由于氢气中不含有碳原子，燃烧产物中无HC排放。以上两点原因均使燃烧趋于完全，因此，发动机的HC排放量随掺氢比的增加而降低。

图13 HC排放量与EGR率之间的关系

图14 HC排放量与掺氢比之间的关系

2.5 掺氢比和EGR率对发动机性能和排放影响的综合分析

图15 不同掺氢比和EGR率下NOX排放量和有效热效率之间的关系

通过以上分析可知：发动机在引入EGR后，NOX排放量降低，但同时也会导致HC排放量的增加和有效热效率的下降；而发动机在特定的EGR下，掺氢可以提高有效热效率，但是也会增加NOX排放量。图15给出了不同掺氢比和EGR率条件下发动机NOX排放量和有效热效率之间的关系。图15中，不同曲线的左侧起点掺氢比为0%，终点掺氢比为50%；大椭圆标记部分为综合考虑的热效率较高和NOX排放相对较低的区域，即发动机在EGR率为15.8%～20.8%，掺氢比为10%～50%时取得较好的综合性能。特别是在EGR率为15.8%，掺氢比为40%时，即图15中较小椭圆标注部分，发动机的有效热效率达到最佳，此时CO和HC的排放量也处于相对较低的水平，NOX排放量也相对较低，因此发动机在该工况下的最佳掺氢比为40%，最佳EGR率为15.8%，这与文献[18]在低转速下匹配较大掺氢比和较小EGR率的研究结果一致。此时，可以在现有天然气发动机结构不做改动的情况下，实现高效率低污染燃烧。