6 000 r/min大负荷下掺氢对汽油机排放性能的影响

樊俊梅

摘 要：严重的环境污染问题促使研究人员探索更环保的燃料，一定程度上在汽油机中掺混氢气可改善发动机的排放性能。本研究采用进气道喷射氢气、缸内直喷汽油的复合喷射方式，探索了发动机转速为6 000 r/min下，负荷率为100%、90%、80%时，掺氢比为0%、5%、10%、15%和20%时对汽油机排放性能的影响。研究结果表明，CO的质量分数整体处于较低水平;同一工况下，随着掺氢比的增加，CO2的质量分数逐渐减小;100%负荷率和80%负荷率下，随着掺氢比的增加，NO的质量分数先增大后减小，且都大于纯汽油机;90%负荷率下，NO的质量分数均小于纯汽油机。

关键词：掺氢比;CO质量分数;CO2质量分数;NO质量分数

中图分类号：TK46+3     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）10-0075-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.017

Effect of Hydrogen on Emission Performance of Gasoline Engine Under 6 000 r/min Heavy Load

FAN Junmei

（AVIC Optoelectronics Technology Co.， Ltd.， Luoyang 471400，China）

Abstract： The serious environmental pollution problem urges researchers to explore more environmentally friendly fuels. To some extent， mixing hydrogen into gasoline engine can improve the emission performance of engine. In this study， the combined injection mode of hydrogen injection into the inlet and direct injection of gasoline into the cylinder is used to study the effects of hydrogen energy fractions of 0%， 5%， 10%， 15% and 20% on the emission of gasoline engine at 6 000 r/min and load rate of 100%， 90% and 80%. The results show that the mass fraction of CO is at a very low level as a whole; under the same working condition， the mass fraction of CO2 decreases gradually with the increase of hydrogen doping ratio; at 100% load rate and 80% load rate， with the increase of hydrogen blending ratio， the mass fraction of no first increases and then decreases， which is greater than that of pure gasoline engine. At 90% load rate， the mass fraction of no is less than that of pure gasoline engine.

Keywords： hydrogen doping ratio; CO mass fraction; CO2 mass fraction; NO mass fraction

0 引言

当今社会需向绿色低碳转型，防治排放污染的形势越发紧迫[1-2]。在日常生活中，随着汽车保有量的增加，由汽车尾气所引发的环境污染问题也较为突出，化石燃料使用过程中出现的排放问题已经成为人们关注的环境问题。

氢气在点火式发动机上具有良好的应用前景，在许多方面优于使用传统燃料的点火式发动机[3-4]。氢气作为双燃料之一，应用于内燃机，具有以下优点：①较少的循环变化有利于发动机的排放、效率和平稳性能;②非常低的最低可燃性極限使氢气成为稀薄燃烧的理想燃料;③热力学和传热特性往往会产生较高的压缩温度，有助于提高稀混合气工况下发动机效率;④燃料燃烧速度快、点火能量低使其也适用于发动机的高速和冷起动工况;⑤氢的无碳化学物质实质及特性为内燃机的清洁高效运行提供了优良的燃料;⑥高自燃温度（858 K）使其更适合作为火花点火发动机的燃料;⑦低点火能量使氢气成为预燃的理想燃料[3]。分析国内外对掺氢汽油机的研究现状发现，研究多集中于稀燃、怠速等中小转速和中小负荷工况下，掺氢比对氢-汽油发动机的性能影响[5-8]。笔者主要研究了发动机转速为6 000 r/min时，负荷率为100%、90%、80%下，在汽油机内掺氢较纯汽油机排放性能的变化。

1 试验方法

本研究以单缸汽油机为原型进行仿真模拟，根据汽油机的技术参数使用Solidworks绘制三维模型，喷氢孔位于进气道鼻梁位置，喷油孔位于缸内进气道侧，喷油孔直径为0.25 mm，中心线与气缸中心线的夹角为60°;喷氢孔直径为5 mm，中心线与进气道轴线的夹角为30°。三维模型如图1所示，AVL-Fire网格划分如图2所示。

氢的能量分数是指每循环氢气所产生的热量占发动机气缸内的总热量的比值，即每循环氢气的总能量与燃料总能量的比值。

[αH2=mH2HuH2mH2HuH2+mGASHuGAS]

其中，Hu（H2）和Hu（GAS）分别为氢气和汽油的低热值，MJ/kg，本研究中氢气的低热值选用119.8 MJ/kg，汽油的低热值选用44.5 MJ/kg;[mH2]和[mGAS]分别为每循环输入气缸内的氢气和汽油的质量，kg。

本研究选用氢的能量分数表征掺氢比，下文一律采用掺氢比来描述。

基于上述模型，采用数值模拟的方式主要研究了发动机转速6 000 r/min下，负荷率为100%、90%、80%时，0%、5%、10%、15%和20%的掺氢比对排放性能的影响。

首先模拟计算发动机转速为6 000 r/min下对应的最大指示功所需的喷油量，即燃料能量，发动机运行在该燃料能量下的工况称为100%负荷率工况，此时汽油机的过量空气系数为0.85～0.90，分别计算模拟了纯汽油最大指示功的90%和80%所对应的汽油燃料能量，即为90%负荷率和80%负荷率对应的发动机总燃料能量。此后，依据各负荷率对应的燃料能量计算掺氢比为0%、5%、10%、15%和20%对应的各工况下氢气和汽油的喷射量。根据氢气和汽油的喷射量模拟喷氢孔和喷油孔打开时长，控制掺氢比上下浮动0.3%。

分别使用CO质量分数、CO2质量分数、NO质量分数代指CO气体、CO2气体、NO气体占总排放气体的质量分数，进而分析不同工况下掺氢比对汽油机排放性能的影响。

2 不同工况下掺氢比对汽油机排放性能的影响

2.1 不同工况下掺氢比对汽油机CO、CO2排放的影响

图3为发动机转速为6 000 r/min时，负荷率分别为100%、90%、80%时，CO质量分数随掺氢比的变化曲线。从图3可以看出，CO质量分数整体处于较低水平，最高在0.07%左右，最低近似于0;在80%负荷率下，CO质量分数随掺氢比的增加无明显变化，且处于0～0.007%，近似无变化。同一掺氢比下，CO质量分数随负荷率的增加而增加。这主要是因为CO是汽油在燃烧过程中生成的重要中间产物，足够的氧浓度和温度、足够长的化学反应时间都可促使CO氧化为CO2。在100%负荷率下，氧浓度不足，燃料燃烧不完全，相较于其他工况，CO质量分数略高，在80%负荷率下过量空气系数为1.3～1.5，燃烧过程中有足够的氧气使CO氧化为CO2。

图4为发动机转速为6 000 r/min时，负荷率分别为100%、90%、80%时，CO2质量分数随掺氢比的变化曲线。观察图4可知，同一工况下，随着掺氢比的增加，CO2质量分数逐渐减小，这是因为随着掺氢比的增加，过量空气系数减少，即缸内氧浓度减少;同一掺氢比下，随着负荷率的降低，CO2质量分数先增加后减小，即100%负荷率下的CO2质量分数比90%和80%负荷率下的CO2质量分数低，这主要是由于100%负荷率对应发动机过量空气系数小于1，燃料不能完全燃烧，CO排放多，但没有足够的氧气使其转换为CO2，90%负荷率下的CO2质量分数大于80%负荷率下的CO2质量分数，是由于90%负荷率下的总燃料能量大于80%负荷率下的总燃料能量，碳含量多，CO排放较多，即使氧气不能将全部CO转换为CO2，也多于80%负荷率下的CO2质量分数。

2.2 不同工况下掺氢比对汽油机NO排放的影响

图5为发动机转速为6 000 r/min时，负荷率分别为100%、90%、80%负荷率下，NO质量分数随掺氢比的变化曲线。从图5可以看出，100%负荷率和80%负荷率下，随着掺氢比的增加，NO质量分数先升高后降低。在掺氢比为10%时，NO质量分数最大，分别较各工况下掺氢比为0%时的NO质量分数增加了29.12%和56.99%;90%负荷率下，随着掺氢比的增加，NO质量分数反而先减小后增大，在掺氢比为0%时NO质量分数最大，在掺氢比为15%时NO质量分数最小。

出现上述现象的主要因为是NO排放物主要来源于参与燃烧的空气中的氮，即“热NO”，高温和充足的氧气都可促使NO排放增多。具体原因如下。

①NO排放物的生成随温度的升高而呈指数函数急剧增加，可认为温度每升高100 K，NO的生成速率几乎翻一番[9]。在发动机转速为6 000 r/min时100%负荷率和80%负荷率下，缸内峰值温度均在掺氢比为10%时最高。在发动机转速为6 000 r/min时90%负荷率下，缸内峰值温度在掺氢比为20%时达到最高。

②NO排放物在缸内温度达到2 000 K时，反應生成速率很高，且由于NO生成反应比燃料燃烧反应慢，若反应物在高温环境下停留时间不足，则NO达不到平衡含量，使NO排放量减少[9]。100%负荷率和80%负荷率下的掺氢比为10%时，以及负荷率为90%下掺氢比为20%时，缸内高温持续时间最长。

③过量空气系数既影响燃烧温度，又影响燃烧产物中氧的含量。因此，过量空气系数对NO排放影响较大。NO排放量随过量空气系数的增加呈先增加后减小的趋势，在过量空气系数为1.1左右时，NO排放量出现峰值[9]。NO排放量随过量空气系数的变化趋势归根结底是缸内温度和氧含量的此消彼长。在100%负荷率下，过量空气系数在0.9左右;在90%负荷率时，过量空气系数为0.97～1.10;在80%负荷率时，过量空气系数为1.29～1.47。同一转速，由于节气门开度保持最大，空气随喷氢量的变化而变化，随着负荷率的降低，过量空气系数增大。同一工况下，过量空气系数随掺氢比的增大而减小。

综上所述，缸内最高温度、缸内高温持续时间及过量空气系数等因素共同影响发动机转速为6 000 r/min时，100%、90%、80%负荷率下NO质量分数随掺氢比的变化。

3 结语

笔者研究了发动机转速为6 000 r/min时，在负荷率为100%、90%和80%下，掺氢比为0%、5%、10%、15%和20%对发动机排放性能的影响。得出如下结论。

①CO质量分数整体处于很低的水平，在80%负荷率下，CO质量分数随掺氢比的增加无明显变化，且处于0～0.007%。

②同一工况下，随着掺氢比的增加，CO2质量分数逐渐减小，但在90%负荷率下，CO2质量分数在掺氢比为20%时出现小幅度上涨。同一掺氢比下，随着负荷率的降低，CO2质量分数先增加后减小。

③100%负荷率和80%负荷率下，NO质量分数在掺氢比为10%时达到最大;90%负荷率下，NO质量分数随掺氢比的增加呈现先减小后增大的趋势，在掺氢比为15%时NO质量分数最低;100%负荷率和80%负荷率下，随着掺氢比的增加，NO质量分数先增大后减小，且都大于纯汽油机;90%负荷率下，NO质量分数均小于纯汽油机。

参考文献：

[1] 曹永强，朱明明.近20年来我国空气污染研究热点与趋势的文献计量分析[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2016，37（3）：76-81.

[2] 侯丽朋，唐军，赵荣钦，等.郑州市不同产业的碳排放特征及减排潜力分析[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2016，37（3）：82-88.

[3] PAVLOS D，TAKU T. A review of hydrogen as a compression ignition engine fuel[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2017，42（38）：24470-24486.

[4] KARIM G A. Hydrogen as a spark ignition engine fuel[J].International Journal of Hydrogen Energy，2003，28（5）：569-577.

[5] YURIY G， YEVHENIY S， JONAS M， et al. Intensification of the combustion process in agasoline engine by adding a hydrogen-containinggas[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2018，43（33）：16334-16343.

[6] ISMAIL M M E， AHMED A A A， KAIRY H E，et al. Spark timing effect on performance of gasoline engine fueled with mixture of hydrogen-gasoline[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2017，42（52）：30813-30820.

[7] ISMAIL M. M. E， AHMED A A A， KAIRY H E， et al. Experimental investigation on performance of single cylinder spark ignition engine fueled with hydrogen-gasoline mixture[J].Applied Thermal Engineering，2016，106：850-854.

[8] 汪硕峰.掺氢汽油机燃烧与排放特性的试验研究[D].北京：北京工業大学，2013.

[9] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010.