于秀敏，吳海明，杜耀東，劉 林，牛仁旭，董 偉

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

2016164

氫氣直噴與EGR協(xié)同作用對(duì)汽油機(jī)燃燒和排放的影響研究*

于秀敏，吳海明，杜耀東，劉 林，牛仁旭，董 偉

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

為揭示氫氣對(duì)傳統(tǒng)燃料燃燒的改善作用，在一臺(tái)加裝EGR的氫氣缸內(nèi)直噴、汽油進(jìn)氣道噴射的復(fù)合噴射火花點(diǎn)火雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上，開(kāi)展了不同摻氫比和EGR率下發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：EGR的引入會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，而摻氫可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。有效燃油消耗率隨著EGR率的增大呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，摻氫可降低有效燃油消耗率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性。缸壓峰值隨EGR率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其對(duì)應(yīng)的時(shí)刻推遲；隨著摻氫比的增加缸壓峰值增大，且出現(xiàn)的時(shí)刻提前。平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)隨EGR率的增加而增大，摻氫可有效降低燃燒循環(huán)變動(dòng)。汽油摻氫后NOx排放增加，EGR的引入能有效降低NOx排放，這種降低效果在大摻氫比下更顯著；HC和CO排放隨EGR率增大而增加，隨摻氫比的增加而降低。在氫氣缸內(nèi)直噴與EGR協(xié)同作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得較好的綜合性能。

汽油機(jī)；氫氣直噴；廢氣再循環(huán)；燃燒；排放

前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，能源供需矛盾愈發(fā)突出，環(huán)保要求和排放法規(guī)也日益嚴(yán)格。因此，尋求更為清潔、綠色的代用燃料和降低排放成為世界各國(guó)內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域重要的研究課題。氫氣被認(rèn)為是一種極具潛力的可再生替代燃料[1]，具有火焰?zhèn)鞑ニ俾矢?、點(diǎn)火能量低、放熱速率高、燃燒時(shí)間短、燃燒界限寬等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此得到代用燃料領(lǐng)域的重視。氫氣燃燒后的產(chǎn)物是水，對(duì)于降低內(nèi)燃機(jī)有害排放具有很大的改善作用。但是，氫氣具有不易存儲(chǔ)和有安全隱患等缺點(diǎn)，不便在車上攜帶，限制了純氫內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，氫氣作為輔助燃料在內(nèi)燃機(jī)，特別是汽油機(jī)上摻混應(yīng)用比純氫發(fā)動(dòng)機(jī)更實(shí)際，更可行。

由于氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，故汽油中摻氫能增加傳統(tǒng)燃料的燃燒速率，縮短滯燃期和燃燒持續(xù)期，提高燃燒穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒循環(huán)變動(dòng)[3]。氫氣的著火界限寬且燃燒速度快，摻氫可以拓展稀燃能力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低排放[4-5]。文獻(xiàn)[6]中在一臺(tái)改裝的單缸氣體發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了低熱值氣體摻氫的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明摻氫可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，降低HC排放。文獻(xiàn)[7]中在一臺(tái)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展了天然氣摻氫的放熱規(guī)律和燃燒特征的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著摻氫比的增加，中低負(fù)荷下有效熱效率增加，同時(shí)放熱率曲線相位提前，縮短快速燃燒期，放熱率增加。文獻(xiàn)[8]中開(kāi)展了點(diǎn)火正時(shí)對(duì)進(jìn)氣道噴氫的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響研究，指出摻氫可以增加指示熱效率，提高燃燒穩(wěn)定性，隨著摻氫比的增加，火焰發(fā)展期和傳播期縮短，燃燒循環(huán)變動(dòng)減小，HC排放降低。文獻(xiàn)[9]中探究摻氫比對(duì)摻氫汽油機(jī)的性能及排放影響，研究表明摻氫能降低循環(huán)變動(dòng)，拓展稀燃極限，改善稀燃能力，CO和HC減小幅度分別為89%和20%。

但是，氫氣摻混后致使發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放大幅增加[10-11]。廢氣再循環(huán)(EGR)作為一種降低NOx的主要途徑，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)引入EGR后，可有效降低摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放，但是引入EGR在降低NOx的同時(shí)會(huì)帶來(lái)較大的循環(huán)變動(dòng)，從而限制了EGR的使用比例。有研究表明，采用EGR和稀燃技術(shù)都可有效降低NOx的排放。文獻(xiàn)[12]中在一臺(tái)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展了不同摻氫比和EGR率下發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，引入EGR后發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率會(huì)下降，但摻氫可以提高EGR工況下的輸出功率，且使NOx降低效果在大摻氫比下更顯著。文獻(xiàn)[13]中研究發(fā)現(xiàn)稀燃也能降低NOx排放，且摻氫能拓展稀燃極限。然而，進(jìn)氣道噴氫會(huì)帶來(lái)早燃、回火和爆震等異常燃燒；缸內(nèi)直噴式摻氫內(nèi)燃機(jī)能夠提高過(guò)量空氣系數(shù)和壓縮比，有效避免早燃，消除回火，提高輸出功率，改善熱效率[14]。

進(jìn)氣道噴氫有容易爆震、早燃、回火和輸出功率低等缺陷，而缸內(nèi)噴氫由于采用氫氣直接進(jìn)入缸內(nèi)的方式，可有效提高充量系數(shù)，同時(shí)可選擇壓縮沖程噴射，且噴射壓力選擇范圍較廣，有利于在缸內(nèi)火花塞附近形成局部富氫的分層混合氣，這對(duì)于提高燃燒熱效率和提高燃燒穩(wěn)定性有顯著作用。缸內(nèi)噴氫不僅能抑制預(yù)混噴氫帶來(lái)的異常燃燒，且能進(jìn)一步提高壓縮比,補(bǔ)償熱效率，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能[15]。但國(guó)內(nèi)外還鮮見(jiàn)氫氣缸內(nèi)直噴結(jié)合EGR時(shí)摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及排放方面的研究，且當(dāng)前大多數(shù)研究是基于進(jìn)氣道噴氫[16-18]，因此開(kāi)展缸內(nèi)噴氫配合EGR技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放的影響研究十分必要。本文中在一臺(tái)改裝的汽油機(jī)上開(kāi)展了缸內(nèi)噴氫協(xié)同EGR作用時(shí)汽油機(jī)性能和排放的研究，分析了不同EGR率和不同摻氫比下汽油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和燃燒與排放特性的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)對(duì)象是由一臺(tái)4缸點(diǎn)燃式汽油機(jī)改裝而成的氫氣缸內(nèi)直噴、汽油進(jìn)氣道噴射的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，原發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。為實(shí)現(xiàn)氫氣/汽油雙燃料的復(fù)合噴射，原發(fā)動(dòng)機(jī)改裝為氫氣缸內(nèi)直噴，在進(jìn)氣道加裝汽油噴射系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有兩套燃料噴射系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)汽油和氫氣分別在進(jìn)氣道、缸內(nèi)噴射。利用自主開(kāi)發(fā)的雙燃料電子控制單元(ECU)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴氫提前角、噴氫脈寬和噴油脈寬的在線調(diào)制，改裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)氫氣和汽油噴射的精確控制。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)布局示意圖如圖1所示。本試驗(yàn)采用凱邁(洛陽(yáng))CW160型電渦流測(cè)功機(jī)，控制系統(tǒng)為FST-OPEN測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及各缸溫度的采集。采用AVL Kistler 2614B4氣缸壓力傳感器，配用AVL的CHANGE AMPLIFIER 3057-01電荷放大器，實(shí)時(shí)采集缸壓信號(hào)。采用AVL DiGas 4000 Light五組分尾氣分析儀，測(cè)量NOx，HC和CO的排放。采用ETAS Lambda Meter 4寬頻氧傳感器。廢氣經(jīng)過(guò)中冷器和EGR閥引入進(jìn)氣管，通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的EGR率。氫氣噴射器位于每缸兩個(gè)進(jìn)氣門的正中偏下位置，火花塞布置在燃燒室正中央。噴射氫氣采用BOSCH公司的噴嘴，其軸線與火花塞軸線夾角為60°，該噴嘴為6孔環(huán)狀結(jié)構(gòu)，噴孔直徑為0.18mm?？紤]到氫氣供給裝置的存儲(chǔ)能力，氫氣直噴噴嘴的噴射壓力范圍為0～10MPa。原機(jī)結(jié)構(gòu)具有渦流控制閥和有利于氣流運(yùn)動(dòng)的活塞頂面形狀。因此，當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在中小負(fù)荷時(shí)，會(huì)在燃燒室內(nèi)隨著活塞上行，而形成強(qiáng)烈的滾流運(yùn)動(dòng)，從而有利于缸內(nèi)直噴燃料和新鮮充量的混合。若噴射時(shí)刻在壓縮沖程，則會(huì)隨著氣流運(yùn)動(dòng)形成濃度不同的分層混合氣。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)布局示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

采用改變單因素法試驗(yàn)研究。選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500r/min，節(jié)氣門開(kāi)度為14%，固定點(diǎn)火正時(shí)為11°CA BTDC，過(guò)量空氣系數(shù)為1.0，氫氣噴射壓力為2MPa，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中冷卻液溫度為85℃，保持不變。基于課題組前期的試驗(yàn)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氫氣噴射時(shí)刻選擇在壓縮沖程的110°CA BTDC，缸內(nèi)可形成較好分層效果的混合氣，且獲得良好的整機(jī)性能，故本研究的噴氫時(shí)刻設(shè)定為110°CA BTDC。試驗(yàn)中通過(guò)改變噴氫脈寬實(shí)現(xiàn)摻氫比例的變化與控制，摻氫比分別為0，5%，10%，15%和25%，EGR率分別為0，5%，10%，15%和20%。在這些工況下，開(kāi)展了摻氫比和EGR率對(duì)缸內(nèi)噴氫汽油機(jī)性能與排放的影響研究。

本文中的摻氫比和EGR率定義如下。

摻氫比選擇為熱量比，相應(yīng)的表達(dá)式為

(1)

式中：φH2為摻氫比；qH2和qgas分別為由氫氣和汽油產(chǎn)生的熱量。

EGR率是引入進(jìn)氣管中CO2與排氣管中CO2的體積比值，定義為

(2)

式中：ηEGR為引入的EGR率；βCO2 in和βCO2 out分別為進(jìn)氣管與排氣管中的CO2體積百分比；βCO2 air為空氣中的CO2體積百分比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性

圖2所示為不同EGR率下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨摻氫比的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，對(duì)于給定的EGR率，當(dāng)摻氫比從0變化到5%時(shí)，轉(zhuǎn)矩迅速增加；當(dāng)摻氫比由5%升至25%時(shí)，轉(zhuǎn)矩基本不變或反而有所下降。這是因?yàn)闅錃饣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾士?，少許的氫氣摻混能夠有效提高混合氣的燃燒速度，從而使缸內(nèi)混合氣燃燒更加充分，致使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大幅增大；隨著摻氫比的進(jìn)一步增加，混合氣的燃燒狀態(tài)對(duì)氫氣不再敏感，故轉(zhuǎn)矩僅有小幅提高。純汽油工況下，隨著EGR率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不斷降低，這是由于隨著EGR的增大，引入缸內(nèi)的廢氣增多，燃燒速率降低，燃燒相位滯后，主要燃燒放熱過(guò)程在膨脹行程的比例增加，傳熱損失增大，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低。但是，摻氫后轉(zhuǎn)矩不再隨著EGR率的增加而降低，基本上處于平穩(wěn)狀態(tài)，甚至有小幅增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因?yàn)闅錃饧尤霑r(shí)，氫氣燃燒速度快的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了EGR對(duì)缸內(nèi)燃燒的影響，使轉(zhuǎn)矩趨于平穩(wěn)。

圖2 不同EGR率下轉(zhuǎn)矩隨摻氫比的變化關(guān)系

圖3給出了有效燃油消耗率與摻氫比和EGR率的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，在固定的EGR率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率隨摻氫比的增加而降低，且在小摻氫比時(shí)效果更加顯著。這是因?yàn)閾綒淇梢悦黠@提高混合燃料火焰?zhèn)鞑ニ俾剩岣呋旌蠚獾娜紵热荻?，有效改善缸?nèi)混合氣燃燒過(guò)程。由于本研究采用熱值法確定摻氫比，因此由圖可見(jiàn)，純油到摻氫5%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率下降幅度很大，但隨著摻氫比的進(jìn)一步增大，其有效燃油消耗率呈現(xiàn)小幅降低甚至增大的趨勢(shì)。其原因在于，燃料的總熱值保持不變，通過(guò)改變氫氣的噴射量來(lái)改變摻氫比，故隨摻氫比進(jìn)一步增大，燃料有效燃油消耗率變化平緩。對(duì)于給定的摻氫比例，隨著EGR率的增大，有效燃油消耗率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。小EGR率時(shí)，由于廢氣對(duì)進(jìn)氣充量的加熱作用，有利于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，使得燃油消耗率降低；隨著EGR率的進(jìn)一步增大，引入廢氣對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度降低和火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档偷挠绊戄^大，燃燒放熱持續(xù)期延長(zhǎng)，燃燒放熱的等容度降低，可能出現(xiàn)部分燃燒的現(xiàn)象，因此有效燃油消耗率隨著EGR率的進(jìn)一步增加而增加。

圖3 不同EGR率下有效燃油消耗率 隨摻氫比的變化關(guān)系

2.2 燃燒特性

圖4給出了0，5%和25% 3種摻氫比下，EGR率與缸內(nèi)壓力的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，在不同摻氫比下，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)壓力逐漸降低，且最大缸內(nèi)壓力出現(xiàn)的時(shí)刻推遲。這是由于引入EGR，廢氣與缸內(nèi)可燃混合氣混合，降低了缸內(nèi)燃燒速度，延長(zhǎng)了整個(gè)燃燒過(guò)程，使得更多的燃燒過(guò)程發(fā)生在膨脹行程中，熱損失增加，循環(huán)指示功降低，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力降低，同時(shí)最大缸內(nèi)壓力出現(xiàn)的時(shí)刻推遲。由圖4(a)可知，在純汽油燃燒模式下，缸內(nèi)壓力變化曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別產(chǎn)生于壓縮行程和上止點(diǎn)之后，且第二個(gè)峰值大于第一個(gè)。這是因?yàn)?，壓縮行程末期，活塞上行壓縮缸內(nèi)混合氣，此時(shí)缸內(nèi)混合氣沒(méi)有大面積燃燒或是處于小部分燃燒狀態(tài)，使得上止點(diǎn)之前出現(xiàn)較小的缸內(nèi)壓力峰值；當(dāng)缸內(nèi)混合氣燃燒充分時(shí)，放熱對(duì)外做功，產(chǎn)生最大缸內(nèi)壓力。由圖4(b)和圖4(c)可知，摻氫對(duì)于燃燒過(guò)程的改善作用明顯，缸內(nèi)壓力明顯高于純汽油時(shí)，缸內(nèi)壓力曲線變得更加平滑，而且沒(méi)有產(chǎn)生兩個(gè)峰值。這是由于氫氣的加入使得火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤藭r(shí)缸內(nèi)燃燒速度增大，燃燒持續(xù)期縮短，做功放熱相對(duì)集中，燃燒等容度增大，導(dǎo)致燃燒過(guò)程更加快速，因此缸內(nèi)壓力曲線變化平滑，且其缸壓峰值增大。其中，摻氫比為25%時(shí)，缸內(nèi)壓力隨著EGR率的變化趨勢(shì)與5%摻氫比時(shí)相同，但此摻氫比對(duì)燃燒過(guò)程的改善效果更加明顯。

圖4 3種摻氫比下EGR率與缸內(nèi)壓力的變化關(guān)系

圖5給出缸壓峰值pmax與摻氫比φH2和EGR率ηEGR的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，缸壓峰值隨著摻氫比的增大而逐漸增加。小摻氫比時(shí)，摻氫比例由0增大到5%，缸壓峰值提高幅度很大，而后隨著摻氫比的進(jìn)一步增大，缸壓峰值增加幅度減小，缸壓峰值逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。這是因?yàn)樾綒浔认拢瑲錃獾募尤肟娠@著改善缸內(nèi)燃燒效果，明顯提高缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俾剩s短燃燒持續(xù)期，使得缸內(nèi)燃燒放熱更加集中，大幅增加缸壓峰值。但當(dāng)摻氫比超過(guò)一定比例后，氫氣對(duì)于燃燒速率的提高作用不如小摻氫比時(shí)顯著，對(duì)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的影響作用不大，因此缸壓峰值pmax隨著摻氫比的進(jìn)一步增加而趨于平穩(wěn)變化，整體仍處于增加趨勢(shì)。

從圖5縱向來(lái)看，不同摻氫比下，隨著EGR率的增加，缸壓峰值顯示出先增加后減小的變化規(guī)律。其原因是廢氣中含有大量H2O和CO2等大比熱容的燃燒產(chǎn)物，EGR的引入使缸內(nèi)混合氣被稀釋，且混合氣的比熱容增大，缸內(nèi)溫度降低，導(dǎo)致混合氣的燃燒速度下降，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率降低；同時(shí)隨著EGR率的增加，進(jìn)入進(jìn)氣管中的廢氣量增多，占據(jù)了一部分進(jìn)氣量，導(dǎo)致進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮充量減少，混合氣熱值降低，燃燒放熱量降低，使缸壓峰值減小。

圖5 摻氫比和EGR率對(duì)缸壓峰值的影響

圖6為缸壓峰值對(duì)應(yīng)的位置θPmax與摻氫比φH2和EGR率ηEGR的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，在給定的EGR率下，隨著摻氫比的增加，缸壓峰值出現(xiàn)的時(shí)刻逐漸提前，而且在小摻氫比時(shí)，提前效果顯著。這是因?yàn)閾綒淇梢悦黠@提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，增大缸?nèi)混合燃料的燃燒速度，提高燃燒等容度，燃燒放熱相對(duì)集中，燃燒持續(xù)期縮短，使得缸壓峰值位置提前，這些影響在大摻氫比條件下效果更加明顯，可見(jiàn)氫氣對(duì)于改善燃燒作用顯著。另外，在不同摻氫比下，隨著EGR率的增加，缸壓峰值出現(xiàn)的位置逐漸推后。這是由于EGR的引入，使廢氣進(jìn)入缸內(nèi)，降低了燃燒速度和燃燒等容度，延長(zhǎng)了燃燒持續(xù)期，導(dǎo)致缸壓峰值出現(xiàn)時(shí)刻推遲。且在摻氫比為0時(shí)，缸壓峰值位置較其他摻氫比下均明顯推遲，表明摻氫對(duì)于改善缸內(nèi)燃燒作用明顯。

圖6 摻氫比和EGR率對(duì)缸壓峰值位置的影響

圖7給出了放熱率中心(CA50)與摻氫比φH2和EGR率ηEGR的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，在同一EGR率條件下，隨著摻氫比的增加，燃燒的放熱率中心逐漸靠近壓縮上止點(diǎn)，并在摻氫比從0到5%時(shí)出現(xiàn)大幅前移，在摻氫比進(jìn)一步增大時(shí)，放熱率中心向上止點(diǎn)移動(dòng)的幅度減小。其原因主要是在純油時(shí)摻入少量氫氣，由于氫氣有著點(diǎn)火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)，缸內(nèi)混合氣對(duì)此較為敏感，并且氫氣采用缸內(nèi)直噴的方式進(jìn)入缸內(nèi)，且與預(yù)混進(jìn)入缸內(nèi)的汽油混合氣形成火花塞周圍局部富氫的分層混合氣，同時(shí)引燃?xì)錃獠⒖焖賯鞑ブ琳麄€(gè)燃燒室，使得燃燒持續(xù)期縮短，燃料燃燒放熱過(guò)程更加集中，因此放熱率中心前移靠近上止點(diǎn)，這對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和動(dòng)力性有著明顯的改善作用。隨著摻氫比的進(jìn)一步增加，缸內(nèi)混合氣對(duì)于氫氣不再敏感，使變化趨緩。對(duì)于給定的摻氫比，隨著EGR率的增加，放熱率中心逐漸遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，且在大EGR率時(shí)放熱率中心遠(yuǎn)離上止點(diǎn)的幅度加大。這是因?yàn)閺U氣的引入降低了缸內(nèi)燃燒溫度，且廢氣中的大比熱容分子較多，減小了燃料燃燒速率，降低了缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣?，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，燃燒等容度下降，使得燃燒過(guò)程變慢，燃燒放熱不夠集中，放熱率中心后移遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，但總的變化幅度不大。EGR的引入使得燃燒速度降低，可以通過(guò)摻入定量的氫氣得到有效改善，且在大EGR率時(shí)，氫氣的改善效果會(huì)更加明顯。

圖7 摻氫比和EGR率對(duì)放熱率中心的影響

圖8給出了發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COVIMEP與EGR率和摻氫比的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，隨著摻氫比的增加，平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)先快速降低后逐漸減小。小EGR率時(shí)COVIMEP保持在很低的數(shù)值，摻氫比對(duì)其影響不明顯；大EGR率時(shí)COVIMEP隨摻氫比的增加而迅速降低。這是因?yàn)榇驟GR率時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，氫氣的加入能明顯加快火焰?zhèn)鞑ニ俾?，這表明摻氫能增大EGR的容忍度[19-20]。在相同摻氫比條件下，隨著EGR率的增加，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在摻氫比為0，當(dāng)EGR率小于10%時(shí)，平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)隨著EGR率的增大幅度較?。划?dāng)EGR率超過(guò)10%時(shí)，平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)隨EGR率的增加而迅速增加。這是因?yàn)檩^小的EGR對(duì)燃燒有一定的促進(jìn)作用，當(dāng)EGR繼續(xù)增大，EGR對(duì)缸內(nèi)混合氣的稀釋作用占據(jù)主導(dǎo)，使得滯燃期延長(zhǎng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停骄甘緣毫Φ难h(huán)變動(dòng)系數(shù)增大。摻氫后著火滯燃期縮短，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱虼藫綒淇捎行Ы档腿紵^(guò)程的循環(huán)變動(dòng)，尤其在大EGR率下效果更加明顯。

圖8 平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COVIMEP與EGR和摻氫比的關(guān)系

2.3 排放特性

圖9給出了HC排放與EGR率和摻氫比的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，HC排放隨著EGR率的增加而增加，這種變化趨勢(shì)在摻氫比為0時(shí)更加明顯。在純汽油情況下，隨著EGR率的增加，HC排放呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在有摻氫的情況下，HC排放平穩(wěn)，幾乎不變。此后隨EGR率進(jìn)一步增加，HC排放有較大的增加。這是因?yàn)殡S著EGR率的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒏變?nèi)燃燒溫度和HC的后氧化能力降低，不完全燃燒發(fā)生的幾率增大，導(dǎo)致HC排放增加。另外，引入EGR后阻礙了燃燒，降低了混合氣中氧濃度，導(dǎo)致HC排放升高。在純汽油、EGR率為20%時(shí)出現(xiàn)HC激增的情況。HC排放出現(xiàn)明顯增加的EGR率在大摻氫比下有所提高，表明摻氫可以保證更大的EGR率下穩(wěn)定燃燒。

圖9 HC排放與EGR率和摻氫比的關(guān)系

由圖9還可以看出，EGR率一定時(shí)，隨著摻氫比的增加，HC排放逐漸下降，且在小摻氫比時(shí)下降幅度更大。這是由于摻氫能加快混合氣的燃燒速度，提高燃燒溫度，改善了缸內(nèi)燃燒狀態(tài)，促進(jìn)HC氧化；氫氣的淬熄距離短，有效降低了壁面激冷和罅隙效應(yīng)產(chǎn)生的未燃HC排放。另外，氫氣本身不含碳元素，燃燒產(chǎn)物沒(méi)有HC，摻氫之后燃料中的碳?xì)浔冉档汀Ｒ虼?，HC排放隨著摻氫比的增加而降低。從圖中還可以看出，隨著摻氫比的進(jìn)一步增大，不同EGR率對(duì)HC排放的影響要小于純汽油時(shí)的影響，表明摻氫能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)EGR的容忍度。

圖10給出了CO排放與EGR率和摻氫比的關(guān)系。由圖可知，在小EGR率時(shí)，CO排放隨著EGR率的增加變化不大或略有降低；隨著EGR率的進(jìn)一步增加，CO排放逐漸降低。這是因?yàn)镃O的產(chǎn)生主要是由于燃燒不充分，EGR使引入的廢氣重新獲得氧化燃燒，降低了CO排放；另外，CO的生成主要與空燃比有關(guān)，由于本試驗(yàn)研究均在過(guò)量空氣系數(shù)為1.0下進(jìn)行，CO排放本身就低?？v觀圖10可知，隨著摻氫比的增加，CO排放呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。其原因是摻氫加快了燃燒速度，燃燒溫度提高，改善了燃燒性能，不完全燃燒減少；另外，氫氣不含碳元素，燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生CO，導(dǎo)致CO排放降低。

圖10 CO排放與EGR率和摻氫比的關(guān)系

圖11為NOx排放與EGR率和摻氫比的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，隨著EGR率的增大，NOx排放明顯降低，且這種效果在大EGR率下更加明顯。這是因?yàn)橐隕GR后混合氣中的燃料量減小，由于廢氣的稀釋作用使燃燒速率降低，且廢氣中CO2和H2O的比熱容較大，燃燒放熱量減小，使燃燒溫度降低，抑制了NOx的生成。由圖還可以看出，隨摻氫比的增加，NOx排放會(huì)逐漸增加。其原因是氫氣具有較高的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，隨著摻氫比的提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，缸?nèi)燃燒溫度增加，導(dǎo)致NOx排放升高。NOx排放隨著摻氫比的增加趨勢(shì)在小EGR率下更為明顯；在大EGR率下，由于廢氣的大量引入使得缸內(nèi)燃燒溫度降低幅度很大，因此NOx排放隨摻氫比的增加變化不明顯，僅呈現(xiàn)略增加趨勢(shì)。因此，摻氫協(xié)同EGR作用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放燃燒。

圖11 NOx排放與EGR率和摻氫比的關(guān)系

3 結(jié)論

本文中在一臺(tái)改裝的火花點(diǎn)火直噴汽油機(jī)上開(kāi)展了氫氣缸內(nèi)噴射協(xié)同EGR對(duì)汽油機(jī)燃燒與排放影響的試驗(yàn)研究，所得結(jié)論如下。

(1)對(duì)于給定的摻氫比，轉(zhuǎn)矩隨EGR率的增加而減小。摻氫能有效提高轉(zhuǎn)矩，隨著摻氫比的增加，轉(zhuǎn)矩逐漸增大，在摻氫比從0到5%時(shí)，增加幅度更加明顯。

(2)摻氫比一定時(shí)，隨著EGR率的增大，有效燃油消耗率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。摻氫能明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，隨著摻氫比的增加，有效燃油消耗率隨之降低。

(3)摻氫有效地加快了燃燒速率，縮短了燃燒持續(xù)期，缸壓峰值隨著摻氫比增加而增大，且其對(duì)應(yīng)的位置提前。同時(shí)燃燒放熱率中心隨著摻氫比的增大逐漸靠近上止點(diǎn)，但EGR的引入降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，而摻氫能有效補(bǔ)償這種效果，尤其是大EGR率。

(4)摻氫比一定時(shí)，平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)隨EGR率的增加而增大。摻氫比的增加可有效降低循環(huán)變動(dòng)系數(shù)，摻氫能明顯增大發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR容忍度。

(5)NOx排放隨EGR率的增大而明顯降低，這種降低效果在大摻氫比時(shí)更加明顯；隨摻氫比的增加，NOx排放逐漸增加。HC和CO的排放隨著EGR率的增加呈現(xiàn)不規(guī)則變化，保持平穩(wěn)變化或是略有降低，隨摻氫比的增大而降低。

(6)在氫氣缸內(nèi)直噴協(xié)同EGR作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得較好的綜合性能。

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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

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51276079)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20110061110032)和吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2016022)資助。

原稿收到日期為2016年2月19日，修改稿收到日期為2016年4月18日。