火花塞微孔喷氢对发动机燃烧及排放的影响

吴颖，庄远

合肥工业大学 汽车与交通工程学院，安徽 合肥 230009

0 引言

随着化石燃料的枯竭和内燃机排放标准的提高，可替代汽油燃料的清洁和可再生能源越来越受关注。氢气作为一种可再生清洁能源，具有比汽油更优秀的燃烧品质，更适合在发动机中使用。与汽油机相比，氢气的点火能量更低，有利于减少发动机点火的能量损失，降低发动机冷起动时点火要求；氢气的层流火焰速度更快(比汽油约快5倍)，使发动机做功循环更接近理想状态，有利于提高发动机热效率；氢气的失火距离更短，燃料燃烧更充分，有利于降低HC与CO排放；氢气的燃烧范围更大，有利于延长发动机的稀燃极限。但氢气的能量密度低，单位体积的混合气动力输出降低；氢气的绝热火焰温度较高，导致NOx排放增加；氢气也可能导致回火等异常燃烧。氢气与汽油的物理化学性能如表1所示。

表1 氢气与汽油的物理化学性能

氢气储存困难、加氢基础设施不完备等限制了纯氢内燃机的大规模使用，目前氢气更适合作为发动机的添加燃料，用来改善发动机燃烧和排放过程。

氢气喷射系统实现氢气与汽油的混合，通常安装在进气歧管或者气缸盖中，安装位置会影响引流效果、缸内燃料分布以及燃烧和排放特性。

北京理工大学对氢气进气道喷射(hydrogen port injection, HPI)与汽油进气道喷射(gasoline port injection, GPI)模式进行了研究[1-2]，研究表明：小负荷时，添加氢气会使发动机的缸内实际平均有效压力(brake mean effective pressure，BMEP)增加；大负荷时，由于进气道中氢气占据了空气的体积，造成了泵气损失，因此掺氢后发动机的BMEP减小。文献[3]表明，在低负荷稀燃条件下，掺氢可以将汽油机稀燃的过量空气系数λ极限提高到2.55，降低发动机的循环压力变动，提高发动机运行稳定性。文献[4]表明：HC和CO排放随掺氢比例增加而降低；但氢气绝热火焰温度高，掺氢使得NOx排放增加80%。文献[5]表明，大负荷时HPI模式造成了发动机回火。文献[6]表明：以纯氢作为冷起动的燃料，起动开始的100 s内，HC和CO排放与相同负荷的汽油机相比分别减少94.7%和99.5%。

氢气缸内直接喷射(hydrogen direct injection, HDI)更容易形成可控的缸内氢气分层分布。吉林大学对一台1.8 L汽油缸内直喷(gasoline direct injection，GDI)水冷四缸机进行改装，将原有的汽油喷射系统改为氢气喷射系统安装到进气歧管上，研究发现，缸内直喷氢气可以加速火核的形成，缩短燃烧持续期，扩大稀燃极限[7]。文献[8]表明，不同的喷射策略会对燃烧和排放结果造成较大的影响，喷氢压力过大会导致火花塞附近流速较大，影响初期燃烧过程。文献[9-10]在稀燃条件下进行3种不同的喷射方式对比，证明GPI-HDI模式的热效率最高。文献[11]表明：火花塞附近的氢气浓度是影响燃烧速率和稀燃稳定性的主要因素；喷氢时刻为上止点前120°时，火花塞附近的氢气浓度最大。文献[12]证明了氢气多次喷射的优越性，通过控制两次喷射氢气比例，调节火花塞与缸内氢气浓度，可提高效率，降低排放。文献[13]将废气再循环(exhaust gas re-circulation，EGR)与掺氢汽油机结合使用，结果表明，掺氢使得发动机的EGR率超过30%，有效抑制了NOx排放。

提高火焰早期发展速度，能有效提高发动机的热效率，提高发动机的稳定性。提高发动机火花塞附近氢气浓度可以加速火焰早期燃烧，实现火花塞附近富集高浓度的氢气需要增加喷氢量，但目前的氢储存技术限制了在实车中应用大流量的氢气。进入气缸的氢气过多，会导致缸内高温区域增加，NOx排放增加。文献[14-15]在氢直喷发动机中对氢气缸内直喷位置进行了独特的设计，使氢气喷射方向正对火花塞位置，结果表明该设计可以大幅度降低NOx排放，提升热效率。

本文中设计了氢气射流引导系统，在火花塞上增加氢气喷射孔，使氢气从火花塞进入气缸，形成火花塞附近氢气浓度高、缸内其他区域氢气浓度低的混合气分层结构，有助于火焰早期形成良好火核，优化燃烧过程，降低NOx排放。

1 试验设备与试验方案

在某公司生产的1.5 T GDI发动机基础上，加装氢气喷射系统，燃油喷射系统与氢气喷射系统相互独立，可以在HDI与GDI喷射模式之间灵活切换。发动机电子控制单元(electronic control unit, ECU)控制燃油喷射、点火、工作状态和信号采集。氢气喷射由独立的氢气ECU控制，根据共轨压力，通过改变复式电子阀的脉宽和周期，控制进入气缸的氢气流量；通过接入曲轴和凸轮轴信号调节开启电子阀的时刻来控制喷氢提前角。发动机主要参数如表2所示。

表2 发动机主要参数

发动机转矩和转速由CW160涡流测功机控制，通过FST-OPEN测量和控制系统记录瞬时转矩、功率和排气温度；Kistler 6115B型缸压传感器采集缸压信号，经电荷放大器放大后输入AVL IndiCom燃烧分析仪；Kistler 2614CK1型光电编码器采集曲轴转角信号；Horiba公司的MEXA584L气体分析仪采集排放数据，检测CO、CO2、HC、NOx等常规排放。试验主要测量参数及设备如表3所示。

表3 试验参数及测量精度、设备

氢气喷射系统由带稳压装置的氢气发生器、数字式质量流量计、喷氢共轨总成和带喷氢孔的火花塞组成。用氢气瓶代替压力罐，氢气瓶能提供的最大喷氢压力为15 MPa，通过减压阀调整喷氢共轨压力。数字式质量流量计采用D08-1F型流量显示仪和气体质量流量控制器(mass flow controller, MFC)。喷氢共轨总成采用发动机原有的喷油共轨总成，将来自储氢罐的氢气分配到4个气缸。共轨总成由复式电磁阀、压力活塞、喷嘴组成。通过控制复式电磁阀控制喷射脉宽、喷射时刻与喷射频率。氢气直喷系统的火花塞采用Kistler 6115C型测量火花塞，在火花塞上加工与喷射器相连的喷氢孔，使氢气通过火花塞直接喷入气缸。火花塞微孔喷氢形状如图1所示。

图1 火花塞微孔喷氢示意图

试验发动机转速为1600 r/min，节气门开度为35%，喷氢压力为6 MPa，喷氢时刻为上止点前40°，保证火花塞附近形成良好的分层混合气，改善汽油机的性能。过量空气系数λ为实际进气量与喷入气缸氢气和汽油理论燃烧所需空气量的比值：

λ=qm,air/(qm,h·σh+qm,gas·σgas) ，

式中：qm,air为空气质量流量；qm,h为氢气的质量流量；qm,gas为汽油的质量流量；σh为氢气当量比燃烧时对应的空燃比，σh=34.3；σgas为汽油当量比燃烧时对应的空燃比，σgas=14.6。

采用宽波段传感器测量尾气中氧气浓度，通过比较尾气中氧气含量和空气中氧含量来确定过量空气系数，定义掺氢比φh为氢气热值占总热值的比例：

φh=Qh/(Qh+Qgas) ，

式中：Qh为喷射到气缸的氢气热值，Qgas为喷射到气缸的汽油热值。

对于不同的φh保持汽油和氢气的总热值恒定。

试验分两部分：1)固定喷氢周期，对氢气喷射流量进行标定，得出脉宽、转速以及流量对应的map图，准确计算出试验方案中φh对应的喷氢脉宽；2)选取6个λ(1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5)、7个φh(0、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%)进行测试，由燃烧分析仪和气体分析仪分别采集燃烧和排放参数数据，对发动机的燃烧特性和排放特性进行分析。

2 燃烧特性

2.1 指示热效率

汽油机的实际加热循环接近定容加热循环，加热循环的指示热效率与压缩比、绝热指数成正比。随着空燃比增加，混合气中空气所占比重增加，混合气的绝热指数越来越接近空气的绝热指数，当空燃比无限大时，热效率达到最大。氢气火焰速度快，可在较短时间内完全燃烧，加热循环更接近理论定容加热循环。

不同φh时λ对指示热效率的影响如图2所示。

图2 不同φh时λ对指示热效率的影响

由图2可知：当λ不变时，指示热效率随着φh的增加而增大；当λ<1.2时，φh<3.0%时的指示热效率随φh的增加而明显增大，但φh>3.0%时的指示热效率变化较小，这是因为λ较小时，火花塞局部氧含量较低，不足以支持较多的氢气完全燃烧；当λ>1.3时，指示热效率随φh的增加明显增大。当φh不变时，指示热效率随λ的增加先增大后减小，这是因为随着λ增加，混合气的绝热指数增加，但当λ继续增大时，稀燃造成燃烧的恶化，指示热效率随着λ增加急剧下降。

发动机掺混氢气后各工况的指示热效率均高于不掺混氢气的指示热效率，说明火花塞微孔掺氢能抵消稀燃对发动机的不利影响，显著提高发动机热效率。

2.2 气缸压力

燃烧速率和最大压力随着λ增大明显降低。由于独特的喷氢位置，使得火花塞附近更容易形成良好的混合气，有助于形成良好火核，改善火焰早期发展进程。在稀薄燃烧模式下，添加氢气可以加快燃烧速度，抑制稀燃的负面作用，与纯汽油相比，喷氢可以使得最大缸压明显提高。不同φh、λ时发动机缸内压力如图3所示，不同φh时λ对发动机缸压峰值和峰值相位的影响如图4所示。

图3 不同φh、λ时发动机缸内压力

由图3、4可知，当λ较小时，由于缸内氧浓度限制，掺氢加速混合气燃烧速度效果不明显；当λ=1、φh=3.5%时，最大缸压增加11.45%，峰值相位提前了2.8°；但φh进一步增加时，最大缸压无明显变化，这是因为当喷氢压力恒定时，喷氢量由喷氢持续期控制，早期喷射的氢气向缸内四周扩散，而后期喷射的氢气主要集中在火花塞附近。通过调节脉宽与喷氢时刻可以形成合理的氢气分层状况。

a)缸压峰值 b)缸压峰值相位 图4 不同φh时λ对发动机缸压峰值和峰值相位的影响

在稀燃模式下，最大缸压随着λ的增加先增大后减少，当λ=1.2时达到峰值，稀燃模式下火花塞附近的氧含量增大，燃烧更充分，缸压达到最大，显示发动机最佳的运行工况；随着λ继续增大，混合气燃烧速度降低，缸压开始下降；当λ=1.5、φh=5.0%时，最大缸压与纯汽油模式相比增加了43.70%，峰值相位提前了6.2°，比λ=1时纯汽油模式对应的缸压峰值高6.1%，峰值相位提前2.7°，说明φh=5.0%时能较大程度抵消稀燃的不利影响，使发动机正常稳定工作。

2.3 燃烧持续期

定义从点火到10%热释放时燃烧持续时间对应的曲轴相位为T0,10，10%到50%热释放时燃烧持续时间对应的曲轴相位为T10,50，10%到90%热释放时燃烧持续时间对应的曲轴相位为T10,90，T0,10代表早期火焰发展和传播，直接影响发动机的热效率。燃烧持续时间越长，通过气缸壁的热量损失越大。不同φh时λ对燃烧持续期的影响如图5所示。

a)T0,10 b)T10,50 c)T10,90 图5 不同φh时λ对燃烧持续期的影响

由图5可知，当λ不变时，随着φh增大，燃烧持续时间减小；与纯汽油模式(φh=0)相比，φh=2.5%时燃烧持续时间平均减少了2.3°，φh= 3.0%时燃烧持续时间平均减少了5.2°，但φh进一步增大时燃烧持续时间降低不明显。快速燃烧期有着类似的变化规律，当φh>3.0%时，火花塞附近混合气的主要成分为氢气，燃烧速度主要取决于氢气的火焰速度，所以φh增大无法大幅度增加混合气燃烧速度。当φh不变时，在纯汽油模式下燃烧持续期随λ增大迅速增大；当φh>3.0%时，T10, 50与T10, 90增速放缓，说明一定比例掺氢可以部分抵消稀燃对燃烧的恶化。

2.4 循环变异系数

循环变异系数是限制发动机运行平稳和稳定性的重要因素之一，本文中将指示平均有效压力(indicated mean effective pressure, IMEP)的协方差CIMEP作为衡量循环变异系数的指标。不同φh时λ对循环变异系数的影响如图6所示。

图6 不同φh时λ对循环变异系数的影响

由图6可知，纯汽油模式下，随着λ增加，各工况的CIMEP均增加，当λ>1.3时，CIMEP>2%，发动机开始处于不稳定燃烧；与纯汽油模式相比，掺氢使得CIMEP明显下降。对于所有工况，掺氢可以提高燃烧的稳定性，少量的氢气掺混(φh=3.5%)能补偿稀燃对燃烧的不利影响，使得CIMEP降至2%以下。发动机循环变动的主要影响因素取决于火焰早期的形成，而火花塞微孔喷氢使得氢气喷入气缸后向四周扩散较少，氢气主要富集在火花塞附近，由于氢气的点火能量低，燃烧速度快，使得着火过程更加稳定，降低了局部失火等不稳定因素发生的概率。独特的氢气喷射结构使较小掺氢比就能形成有利于燃烧的氢气分层结构，相比于进气道喷氢，火花塞喷氢可以更容易提高发动机运行的稳定性。

3 排放特性

不同φh时λ对排放物体积分数的影响如图7所示。

a)CO排放 b)HC排放 c)NOx排放 图7 不同φh时λ对排放的影响

由图7a)可知，λ相同时，掺氢减少了混合燃料的碳含量，排放中CO的体积分数随着φh的增加而降低，增加φh可以加速气缸中混合气的燃烧速度，使CO完全氧化。当量比燃烧时，掺氢明显降低排放中CO的体积分数，但当φh>2.5%，继续增大φh，排放中CO的体积分数降低很小；稀燃模式下，掺氢对降低排放中CO的体积分数影响较小，φh=5%时，与纯汽油模式相比，排放中CO的体积分数降幅小于0.1%，而稀燃导致排放中CO的体积分数降低超过10%，所以影响CO排放的主要因素是混合气的氧浓度。

由图7b)可知，λ相同时，排放中HC的体积分数随φh的增大而降低。HC排放产生的主要原因是火焰碰壁后突然熄灭，未燃烧的混合气随着废气排出，氢气的分子质量小，更容易扩散，降低了缸壁处发生碰壁失火的几率；氢气燃烧速度快，导致缸内温度升高，加速HC的氧化。当λ=1.5时，随φh增加，排放中HC的体积分数降低幅度最大，这是因为缸内燃料过稀，增加φh可以避免失火和不稳定燃烧。当φh相同时，排放中HC的体积分数λ的增加先降低后上升，λ=1.2时，排放中HC的体积分数最低，这是因为随λ增加，进气量增多使得缸内氧浓度提高，有利于燃料的充分燃烧。但当混合气过稀时，燃料的燃烧速度降低，导致不完全燃烧增加，排放中HC的体积分数增加。

由图7c)可知，λ相同时，排放中NOx的体积分数随φh的增加而增大。NOx的生成主要取决于缸内温度、缸内氧浓度、高温停留时间。氢气绝热火焰温度高，导致缸内最大温度上升，排放中NOx的体积分数增加。不同工况下，排放中NOx的体积分数随λ先增大后减小。当λ较小时，缸内氧浓度较低，限制NOx生成；随着λ增大，缸内氧浓度提高，排放中NOx的体积分数增加；当λ进一步增大时，缸内混合气燃烧速度降低，缸内最高温度下降，虽然掺氢使局部温度有所升高，但缸内大部分区域温度明显下降，使得排放中NOx的体积分数大幅度下降。提高发动机稀燃极限是限制排放中NOx的有效手段，当λ=1.1时，由于过量充气系数较低，稀薄燃烧降低缸内温度不明显，使得缸内处于高温富氧的状态，因此排放中NOx的体积分数最大。

4 结论

通过火花塞向缸内直接喷入氢气，优化稀燃与掺氢的协同效应，降低排放，提高氢气的利用率以及发动机的稳定性和热效率。

1)火花塞微孔喷氢可以有效改善汽油机稀燃工况的燃烧过程，φh<5%时发动机稀燃性能得到较大改善，降低了氢气消耗，避免了喷氢可能导致的NOx排放过高。

2)掺氢能提高发动机混合气燃烧速度，抑制稀燃的不利影响。峰值压力随着λ增大而降低，随φh增加而升高；相同λ下，掺氢使得峰值相位提前，峰值相位随λ增大而减少。稀燃会导致燃烧持续期增长，而掺氢能大幅度缩短燃烧持续期。

3)CIMEP随着λ增加而增大，但随着φh增加而减小，φh=3.5%时，CIMEP降至2%以下。

4)当量比燃烧时，掺氢能明显降低CO排放；发动机进入稀燃后，掺氢能少量降低CO排放。

5)排放中HC的体积分数随着λ增加先降低后增加，λ=1.2时，排放中HC的体积分数达到最低，掺氢能明显降低排放中HC的体积分数。

6)掺氢使排放中NOx的体积分数少量增加，而稀燃可以显著降低排放中NOx的体积分数。利用稀燃和掺氢协同作用可以补偿稀燃对于燃烧的阻碍，同时限制掺氢导致的NOx排放增加。