暴秀超1，孫大偉

(1.西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都610039;2.北京理工大學機械與車輛工程學院，北京 100081)

近年來，嚴格的排放法規(guī)和對車輛碳排放的限制對內燃機提出了很大的挑戰(zhàn)。氫內燃機由于有著較高的熱效率、非常低的污染物排放和幾乎為零的碳排放，得到了研究人員的持續(xù)關注[1-2]。相比化油器式和缸內直噴等氫氣引入的方式，氣道噴射氫氣具有效率高、成本低、對原汽油機改動少等優(yōu)點，因而被廣泛采用[3]；然而，由于氫氣為氣態(tài)且密度低，氣道噴射會造成發(fā)動機容積效率下降，進而影響輸出的扭矩和功率[4]。此外，當氫和空氣的混和氣的當量燃空比小于0.55時，燃燒產物僅含有微量的氮氧化物；而當量燃空比超過0.55后，燃燒產物中的氮氧化物會迅速增長到不可接受的程度[5]：因此，氫內燃機通常會運行在當量燃空比小于0.55的限制下，輸出轉矩和功率會進一步降低，故提高氣道噴射氫內燃機的性能對于其在實際中的應用有著重要意義。

現代汽油機通過 對進氣管結構和尺寸的優(yōu)化設計，充分利用發(fā)動機進氣過程進氣系統(tǒng)內形成的壓力波來提高輸出性能[6-7]。考慮到大量氫氣在噴入進氣道時的壓力為400 kPa，對進氣壓力波的擾動不可忽視，能否合理利用這種影響達到增加發(fā)動機容積效率，進而提高輸出性能，成為了研究人員所關心的問題。Sierens等[8-9]分別在不同的氫發(fā)動機上對氫氣噴射時刻進行了優(yōu)化，結果發(fā)現噴氫時刻對低速時的轉矩有著很大的影響，通過改變噴氫正時，功率輸出會有最大20%的差別；但受到試驗條件的限制，其未能深入分析這一現象的機制。

本文將一臺汽油機改裝成為進氣道噴射的氫內燃機，通過試驗研究不同噴氫時刻對進氣系統(tǒng)內壓力波動的影響機制，并探討如何利用這一機制優(yōu)化噴氫正時，提高氫內燃機的輸出性能。

1 試驗發(fā)動機及試驗設備

1.1 試驗發(fā)動機參數

試驗氫內燃機是用一臺排量為2.0 L的氣道噴射汽油機改裝而來。該汽油機為直列4缸，雙頂置凸輪軸，16氣門，電控多點燃油噴射形式，其主要參數如表1所示。

表1 原型汽油機參數

注：本文中壓縮上止點為0°。

保持原汽油機的基本結構、系統(tǒng)及主要結構參數(如缸徑、沖程和幾何壓縮比)等不變，針對燃用氫氣后所必須解決的問題，進行了重新設計與改進：在每個進氣歧管靠近氣缸蓋的位置加裝了氫氣噴射器；將原機的分組式點火系統(tǒng)改為各缸獨立的點火系統(tǒng)，使用冷型火花塞；在曲軸箱通風管路上安裝了油氣分離裝置，避免潤滑油進入氣缸形成熱點造成回火和早燃；使用自行開發(fā)的電控系統(tǒng)來實現對發(fā)動機各部件的控制。

1.2 試驗臺架及設備

氫內燃機的主要測試設備除表2所列出的外，還包括水溫/油溫恒溫裝置、測量排放的AVL5組分分析儀和Horiba寬域氧傳感器。氫氣儲存在壓力為13 MPa的氣瓶集裝格中，經兩級減壓后輸送到發(fā)動機，氫氣噴射的壓力為400 kPa。瞬態(tài)進氣壓力測試裝置安裝在靠近進氣歧管與缸蓋的位置，保證得到準確的壓力數據。

表2 測試設備

2 結果和討論

為了分析氫氣噴射對氣體壓力波動及空氣流量的影響規(guī)律，分別對無氫氣噴射的倒拖工況和有氫氣噴射的運轉工況的進氣歧管和集氣腔內壓力波動進行了測量和對比，結果如下所述。

2.1 倒拖工況的進氣壓力波動

圖1和圖2示出低轉速(1 000 r/min)和高轉速(3 400 r/min)時，集氣腔和進氣歧管的壓力波動曲線。可以看出，無論在低速還是高速，集氣腔內的壓力波動都有4 個波峰，這是由于4個氣缸的進氣歧管都連接在集氣腔，在一個工作循環(huán)中，每缸在進氣沖程都產生一個膨脹波，形成了集氣腔壓力的波動。通過比較圖1和圖2可以發(fā)現:低速時集氣腔壓力和進氣歧管的壓力波形大致相仿，進氣歧管的壓力主要被集氣腔內壓力所影響；而高速時，進氣歧管內的壓力波動幅值要明顯大于集氣腔，此時歧管自身壓力波的反射疊加是主要激勵，而且高速時的壓力波動幅值也要大于低速的情況。

圖 1 低速時集氣腔和1缸歧管壓力曲線

圖 2 高速時集氣腔和1缸歧管壓力曲線

試驗和數值分析都表明，如果在下止點后到進氣門關閉的時間段內，歧管內的壓力波動使氣門處的壓力達到最大，則此時有最大的進氣充量；因此，在低速時通過合理地設計進氣管和集氣腔，使集氣腔壓力在特定轉速時的幅值和相位滿足上述要求，就會有較高的充量效率，而高速時，通過改變進氣歧管長度來調整歧管內壓力波動的幅值和相位，可以在某段轉速范圍內得到最大的充量效率。

由上所述，低、高速時進氣歧管壓力波的主要影響因素是不同的，因此對于有氫氣噴射的情況也要分為低速和高速分別研究。

2.2 低速時氫氣噴射對進氣壓力波的影響

圖3為轉速1 000 r/min、發(fā)動機倒拖工況和噴氫正時(SOI)為25 °CA BTDC時1缸進氣歧管壓力曲線，混合氣當量燃空比0.55，噴射壓力400 kPa?？梢钥闯觯簢姎浜笃绻艿膲毫η€與倒拖一樣有4個幅值較大的波峰，這是由于低速時歧管壓力的波動主要是由集氣腔的壓力波動引起的，噴氫對于后者的影響不大。在-25 °CA噴氫后，可以看到壓力由于氫氣噴射而上升，噴氫使得歧管自身引起的波動頻率明顯增大。除了-25 °CA外，在分別相隔大約180 °CA的155 °CA、335 °CA和-205 °CA都可以觀察到壓力的上升，而這些正是第3、4和2缸噴氫的時刻，表明其他缸噴氫引起的壓力波也可以對本缸歧管壓力產生影響。

圖 3 噴氫和倒拖進氣歧管壓力波對比

為了進一步證明該現象，分別對噴氫角度相隔180 °CA(SOI=-25 °CA和SOI=155 °CA)和相隔220 °CA(SOI=-25 °CA和SOI=-245 °CA)的2組進氣壓力波動進行了比較，如圖4所示。當噴氫角度相隔180 °CA時，除了當本缸噴射時引起壓力升高外，2個噴氫角度對應的進氣壓力曲線在整個循環(huán)內的波動規(guī)律十分一致，表明其他缸噴射與本缸噴射對歧管壓力波的影響是相似的。而反之如果噴氫角度相隔不是180 °CA，例如220 °CA，可以看出其進氣壓力波動狀況有所區(qū)別。這也從反面證明了在一個循環(huán)周期內，進氣歧管的壓力波動不僅受到本缸氫氣噴射的影響，也會受到其他3個氣缸相隔180 °CA的激勵。

圖 4 不同噴氫正時進氣歧管壓力波對比

圖5為發(fā)動機在轉速1 000 r/min下，改變噴氫正時所測得的空氣流量變化曲線?？梢钥闯觯諝饬髁侩S噴射開始角度的變化有著明顯的周期性，取得空氣流量波峰或波谷值的噴氫開始角度相隔大約180 °CA。原因如上文所述，在一個工作循環(huán)(720 °CA)內，除了本缸的噴氫外，其他3缸的噴氫都會對本缸的進氣壓力波產生影響，因此，空氣流量隨噴氫角度的變化會有4個峰值。

圖 5 不同噴氫正時下的空氣流量

氫氣噴射是如何影響進氣歧管的壓力波動，進而影響到發(fā)動機的空氣流量呢？由于空氣流量隨噴氫時刻的變化有周期性，僅以相鄰的波谷(SOI=-245 °CA)和波峰(SOI=-165 °CA)為例進行分析。圖6為發(fā)動機轉速1 000 r/min下，這2個噴射時刻的進氣歧管壓力波動曲線。氫氣噴射開始角度在下止點(-165 °CA)附近時，氫氣噴射使得下止點(-180 °CA)到進氣門關閉(-140 °CA)期間的壓力高于在進氣中期(-245 °CA)噴射的情況，故下止點開始噴射時取得較大的空氣流量；而噴氫正時為-245 °CA時，由于壓力波的疊加反射，使得下止點到進氣門關閉期的壓力處于低值，因此空氣流量與其他噴射角度相比最小。

圖 6 不同噴氫正時歧管壓力曲線

圖5中的空氣流量最大值比最小值多4.4%，考慮到發(fā)動機的轉矩輸出與空氣流量成正比，在轉速為1 000 r/min時，優(yōu)化噴氫角度的情況會比未優(yōu)化的情況高出4.4%的轉矩輸出。

2.3 高速時氫氣噴射對進氣壓力波的影響

由于在低轉速和高轉速下，影響進氣壓力波動的因素發(fā)生改變，因此還需要考察高速時噴氫對進氣壓力波動的影響是否與低速時相同。轉速3 400 r/min，噴氫開始角度-250 °CA，噴射壓力400 kPa，混合氣當量燃空比0.55時1缸的進氣歧管壓力曲線如圖7所示。通過與噴氫和倒拖時壓力曲線的對比，可以發(fā)現氫氣噴射后歧管壓力也會上升，其他缸噴射的壓力波也會傳遞到本缸歧管內，造成壓力的上升，氫氣噴射也會加強原本的氣壓波動。與低速時不同的是，相對倒拖時壓力波動的幅值，噴氫所造成的壓力上升幅值較小。

圖 7 進氣壓力波動與倒拖工況的比較

同樣，為了考察其他缸噴氫對本缸氣體波動壓力的影響，選取與噴氫角度-250 °CA相差360 °CA(SOI=110 °CA)和90 °CA(SOI=-340 °CA)的2組數據進行對比，如圖8所示。與低速(1 000 r/min)時不同的是，即便噴射角度相差不是180 °CA的整數倍，歧管內壓力波動的情況也比較一致。這是由于高轉速時歧管內壓力波動幅值原本就很大，噴氫引起的壓力上升程度與低速相比相對降低。

圖 8 不同噴氫正時進氣壓力波動的比較

圖9為發(fā)動機轉速3 400 r/min時，改變噴氫正時所測得的空氣流量變化曲線?？梢钥闯觯涸谶M氣中期(-270 °CA)噴氫時空氣流量最小；而在靠近下止點(-220 °CA)噴氫時空氣流量最大；在其他角度噴射時空氣流量變化不大；最大空氣流量比最小空氣流量高出7.3%。圖10為轉速3 400 r/min時1缸進氣歧管壓力曲線。圖中4條曲線分別代表氫氣噴射開始角度在進氣中期(-280 °CA)和靠近下止點位置(-220 °CA)，以及噴氫角度與前兩者相差360 °CA(80 °CA和140 °CA)的壓力曲線。由圖9和圖10可以看出：在下止點附近噴射可以有效提高下止點到進氣門關閉期間的壓力(如圖10所示)而增加空氣流量；而在進氣中期噴射則會阻礙空氣的進入，且使得下止點到進氣門關閉期的壓力處于低值導致空氣流量減少。與低速時不同的是，在高速時噴氫對于進氣壓力波動的影響減弱，特別是對于其他缸噴氫傳遞到本缸的激勵效果更不明顯，使得在其他角度噴氫時對空氣流量的影響不及在本缸進氣中期和下止點附近噴射對空氣流量的影響。

圖 9 不同噴氫正時下的空氣流量變化曲線

圖 10 不同噴射正時歧管壓力曲線

3 結論

本文在一臺氣道噴射的氫內燃機上，通過改變不同的噴氫正時，研究了氫氣噴射對于進氣道壓力波動和發(fā)動機空氣流量的影響，得到如下結論：

1)氫氣噴射會加強原有的進氣壓力波動，在氫氣噴射的時刻，進氣壓力會有明顯升高；

2)不僅本缸氫氣噴射對相應的歧管壓力有影響，其他缸氫氣噴射也會對本缸歧管壓力產生激勵作用；

3)低速時，在進氣下止點和氣門關閉之間噴氫可以增加發(fā)動機進氣流量，或者在前述區(qū)間相隔180°CA的區(qū)間噴氫，利用其他缸激勵也可增加發(fā)動機進氣量，進氣量最大可提高4.4%；

4)高速時，只有在本缸進氣下止點和氣門關閉之間噴氫可獲得增加發(fā)動機進氣流量的最好效果，約為7.3%，其他缸激勵影響相對較小。

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