（热能工程专业论文）氢气对汽油发动机燃烧和排放性能影响的试验和仿真研究.pdf

摘要 摘要 随着石油资源的逐渐短缺以及排放法规的日趋严格，汽车替代能源的呼声日 益高涨，各国政府和科研单位对此投入大量的人力和物力，希望能够找到合适的 替代能源，解决将来可能出现的能源危机和环境污染问题。在众多的替代能源中， 氢以“无污染，可再生，存在广 的特点以及做为车用发动机燃料的众多优越性 脱颖而出，成为各方争相研究、探索的焦点。 本文综述了目前氢能应用于汽车上的两种形式，以及各国科研机构和汽车公 司对氢能汽车的研究进展。很多机构和公司对发动机纯氢和混氢燃烧都进行了有 关研究，但是对氢发动机稀燃的研究并不多见。本文以氢燃料发动机的理论循环 为基础，通过对现有汽油机进行进气和电控系统的改造，定量的研究了汽油混氢 内燃机在低速低负荷下动力性、经济性、排放性相对原汽油机的变化。从混合气 形成及混合均匀程度，点火能量，混合气着火界限，火焰传播速度，火焰：l = 卒熄， 燃烧压力和温度变化，污染物形成、稀燃极限等方面分析了氢气对缸内燃烧的影 响。并通过仿真的手段对汽油混氢的燃烧过程中的燃烧持续期、点火时刻、燃烧 速度进行了更为深入的预测性研究和探索。文中还特别对氢内燃机稀燃工况时的 缸内燃烧进行了深入的探讨，得到了较为理想的结论。试验和仿真结果表明在现 有汽油机上实施局部改造较易实现氢内燃机燃烧，但是由于氢气和汽油的物理化 学性质差异较大，需要综合考虑混氢比例、喷氢时刻、喷氢持续期、点火时刻、 n o x 排放、不正常燃烧等因素。对上述因素的综合全面控制是推广氢内燃机的发 展趋势和需要解决的关键问题。 本文研究结果表明：氢气混入汽油中可以明显拓展混合气的着火界限，加速 火焰传播，改善缸内燃烧，提高缸压，有利于发动机做功。氢气的高扩散性在缸 内易于形成大强度的湍流和均匀的混和气，加之较低的点火能量和快速的火焰传 播速度，使得氢气在缸内燃烧速度明显快于汽油，导致燃烧持续期大幅缩短，传 热损失大幅减少。同时氢气的快速燃烧和大量放热会导致燃烧室温度较之汽油大 幅提高，产生更多的n o x j 放。怠速时混氢可以改善h e 、n o x 的排放，但是随 着负荷的增加，氢气的混入会使n o x 排放升高。燃烧过程中氢气燃烧时最大压力 升高率较之汽油有大幅提升，致使燃烧噪声向高声调噪声发展，显著高于汽油燃 烧时的噪声水平。仿真研究表明：氢气燃烧会显著缩短燃烧持续期，减少传热损 失，提高燃烧热效率，同时点火时刻对混氢燃烧时的燃烧压力和燃烧温度影响显 著，合适的点火时刻能够更好地发挥氢气的助燃作用，改善混合气燃烧品质，提 高燃烧热效率和做功能力。 关键词汽油发动机；混氢；燃烧；稀燃；排放；试验；仿真 北京工业大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t hp e t r o l e u md e p o s i t sb e c o m i n g1 e s sa n dl e s sa n de m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n s b e c o m i n gs t r i c t e ra n ds t r i c t e r , m a n yc o u n t r i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e sa r ep a y i n gm o r e a t t e n t i o nt of i n d i n gc l e a ra l t e r n a t i v ef u e lw h i c hc a nr e d u c et h ep r e s s u r eo fe n e r g y s h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n h y d r o g e n i sar e n e w a b l ec l e a re n e r g y ，a n di tc a n b ea p p l i e di nl o t so fe a s e se s p e c i a l l yi na u t o m o t i v e s oh y d r o g e ns h o w sc o n s i d e r a b l e p r o m i s ea sa ni d e a la l t e r n a t i v ef u e l i nt h i sa r t i c l e ，t h ea p p l i c a t i o n so f h y d r o g e nu s i n gi na u t o m o t i v ea n ds t a t eo f d e v e l o p m e n to fh y d r o g e ne n e r g yw e r eo v e r v i e w e di nd e t a i l m a n yr e s e a r c h e r ss t u d i e d t h ee f f e c to fu s i n gh y d r o g e na saf u e l ( p u r eo rm i x e d 、析t hg a s o l i n e lo ne n g i n e p e r f o r m a n c ea n dp o l l u t a n t se m i s s i o n s ，h o w e v e rt h e r e s e a r c ho fl e a nb u mo fh y d r o g e n i i ls ie n g i n er e p o r t e dr a r e l y i nt h ep r e s e n tw o r kas ie n g i n ew h o s ei n t a k es y s t e ma n d c o n t r o ls y s t e mw a sr e c o n s t r u c t e dw a sd e v e l o p e dt os t u d yt h ee f f e c to fh y d r o g e no n p o w e r , f u e lc o n s u m p t i o na n dp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n s t h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c e i n f l u e n c e db yh y d r o g e nw a sr e s e a r c h e df r o mt h ea s p e c t so fm i x t u r ef o r m a t i o n , i g n i t i o ne n e r g y , i n f l a m m a b i l i t yl i m i t ，f l a m ep r o p a g a t i o ns p e e d ，f l a m ee x t i n c t i o n ， c o m b u s t i o np r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e p o l l u t a n tf o r m a t i o n , l c a n - b u ml i m i ta n de t c s i m u l a t i o no fc o m b u s t i o nd u r a t i o n ，i g n i t i o nt i m i n ga n dc o m b u s t i o ns p e e dw a sc a r r i e d o u tb va v lb o o s ts o f t w a r e t h j sw o r ka l s os t u d i e dt h el c a nb u mo f g a s o l i n e h y d r o g e nm i x t u r ei ns ie n g i n e t h er e s u l ts h o w e dt h a ti t sv e r yc o n v e n i e n t t ou s eh y d r o g e ni nas ie n g i n ew i t h o u tr e c o n s t r u c t i n gt o om u c h b e s i d e s ，i ti s e s s e n t i a lt oc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fh y d r o g e nv o l u m ef r a c t i o n ，h y d r o g e ni n j e c t i o n t i m i n ga n dd u r a t i o n ，i g n i t i o nt i m i n g ，n o xe m i s s i o na n da b n o r m a lc o m b u s t i o nf o r u s i n gh y d r o g e ni ns ie n g i n e t h ep r e s e n tr e s e a r c hs h o w e dt h a th y d r o g e nb l e n d e di n t og a s o l i n ec a l le x p a n dt h e i n f l a m m a b i l i t yl i m i t ，a c c e l e r a t ef l a m ep r o p a g a t i o n ，i m p r o v ec o m b u s t i o nq u a l i t y , a n d e n h a n c ec o m b u s t i o np r e s s u r e h y d r o g e nd i f f u s i b i l i t yh e l p sm i x t u r et of o r mh e a v y i n t e n s i t yo ft u r b u l e n c e ，t h i si m p r o v et h ef l a m es p e e da n dd e c l i n et h ea m o u n to f h e a t t r a n s f e rl o s s c o n s e q u e n t l y h y d r o g e nc o m b u s t i o nr e s u l t e di nar a i s eo fc y l i n d e r t e m p e r a t u r ea n dn o xe m i s s i o n t h ee m i s s i o n so fh ca n dn o xw e r er e d u c e da ti d i e c o n d i t i o nt h r o u g hh y d r o g e na d d i t i o n w i ml o a da n ds p e e di n c r e a s i n g n o xe m i s s i o n a n dc o m b u s t i o nn o i s ew i l li n c r e a s e i nc o n c l u s i o n ，h y d r o g e ni sa ni d e a lf u e lt ou s e i n v e h i c l ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；h y d r o g e n ；c o m b u s t i o n ；l e a nc o m b u s t i o n ；e m i s s i o n ； e x p e r i m e n t ；s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：上l 嗍型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名团塑盔 导师签名日期：竺芝：兰：兰 第l 章绪论 1 1 前言 1 1 1 能源背景 第1 章绪论 当今世界上的主要能源来自矿石，主要包括石油、煤、天然气等。经过地球 干百万年深度积累形成的这种化石燃料是一种非可再生的能源，其储量有限。石 油资源是各种运输动力装置的主要燃料。伴随着生活水平的不断提高，汽车工业 的快速发展，世界的石油消耗量逐年大幅提高，几乎每隔十年就会翻一番，这必 将加剧世界能源的短缺与供应紧张。1 9 7 3 年中东石油主产国对一些发达国家采取 石油禁运，使这些被禁运的国家出现了所谓的“能源危机 ，同时也对一些石油 和煤炭资源匮乏，能源依赖进口的国家造成了很大的冲击，虽然后来各国相继发 现和开发了一些新油田，石油市场价格有涨有落，但通过这次世界性的能源危机 的冲击，使人们认识到石油资源的不足。为了减少石油短缺给国家安全和经济发 展带来的压力，世界各国对探索石油的替代能源非常重视。 1 1 2 时代呼唤清洁新能源 内燃机自问世以来，经过了百余年的发展和改进，已经被广泛地应用于工业、 农业、交通、军事等各个领域，对推动人类文明的发展起到了重大的作用。到目 前为止，燃烧汽油和柴油的内燃机仍是热效率最高的热力发动机，它消耗了世界 上4 6 的石油资源，发出的功率占世界所有动力装置的9 0 【，并且在今后很 长一段时间内，内燃机将继续在人类的生产生活中扮演重要角色。然而内燃机燃 料的主要来源仍然是石油和天然气，伴随化石能源逐渐枯竭，化石燃料燃烧造成 的环境污染日益严重，温室效应导致全球灾难性气候频繁发生，化石燃料的诸多 负面影响引起了各国的重视。因此节约石油能源、降低内燃机有害物质排放成为 了全球性的重要课题。 为了彻底从能源危机和环境保护的双重压力下解放出来，寻找新的替代能源 一直受到世界各国的关注。目前，已被开发的能源有太阳能、海洋能、生物能、 风能、水能、核能等。但是这些能源都不具备石油燃料那种突出的优点，它们或 是受地理、气候、季节、时间等条件限制，或是不具备能量比较集中、易储存、 易运输、可以分散使用的优点，或是本身存在放射性问题，对环境造成新的污染， 总之不是运输业的理想能源。在众多替代能源中，氢是一种可再生能源，热值比 较高，而且燃烧后的大部分生成物是水蒸气，仅产生有害废气n o x ，是比较理想 北京t 业大学t 学硕十学位论文 的“绿色”燃料。氢作为替代燃料可以解决能源领域两大难题：一是石油燃料终 将会用尽，二是石油燃料会产生大量污染物2 1 。 1 2 本研究课题的学术背景及其理论与实际意义 1 2 1 氢燃料内燃机的特点 在汽车领域，氢能的使用主要有燃料电池和氢内燃机两种形式【3 1 。氢燃料电 池在使用过程中不产生有害废气，但由于氢燃料电池研制、使用费用高，耐久性 和可靠性差等问题，短期内难以在汽车上获得广泛应用4 1 。相对于氢燃料电池而 言氢内燃机这种应用氢气的形式，改造简单、推广便利、污染较小，在目前一段 时间更符合节能环保的要求。 氢气做为燃料在内燃机中进行燃烧具有以下特点： ( 1 ) 着火界限宽广 氢气相对于其他燃料具有更加宽广的着火界限( 空气中体积含量：4 7 5 ) ， 因此氢气作为内燃机的燃料，可以进行稀薄燃烧，显著改善起动性能，提高燃油 经济性并且使燃烧反应更加完全。 ( 2 ) 点火能量较低 氢气的最低点火能量只有0 0 2 m j ，比汽油的0 2 4 n 1 j 低一个数量级。此特性保 证了氢气在稀薄情况下可以快速点燃并燃烧，同时使冷起动更加容易，怠速运行 时更加平稳。 ( 3 ) 淬熄距离短 氢气的淬熄距离为0 6 4 r a m ，仅为汽油的的1 3 ，较小的淬熄距离可以使火焰 传播至接近气缸壁，甚至可以达到活塞余隙，将进入活塞环与缸壁缝隙的混合气 点燃，使得燃烧更加完全。 ( 4 ) 自燃温度高 氢气的自燃温度为8 5 8 k ，汽油的为5 5 0 k 。所以氢燃料发动机可采用较大的压 缩“5 】( 见式1 1 ) 。 r 2 ：州旦) 厂。l ( 1 1 ) 式中死为压缩初始温度；t 2 为压缩结束温度；n 圪为压缩比：y 为比热比。 ( 5 ) 火焰传播速度快 氢气的火焰传播速度为2 3 7 c m s ，比汽油的4 1 5 c m s 快将近5 倍，这意味着氢 燃料发动机更接近理想等容热力学循环，提高了热效率，同时，较快的火焰传播 第l 章绪论 速度加速了混合气燃烧的速度并减小了循环变动【6 】，提高了发动机运行稳定性。 这在怠速混氢过程中体现的尤为明显。 ( 6 ) 污染较小 氢气作为燃料燃烧只会产生h 2 0 和n o x ，不会产生h c 、c o 、c 0 2 和碳烟排放。 在稀薄燃烧情况下，氢可以完全燃烧。 氢气和汽油的具体性质见表1 1 。 表i i 氢气和汽油的性质 t a b l e l ip h y s i c a lp r o p e r t i e so f h y d r o g e na n dg a s o l i n e 氢燃料在内燃机上的应用主要是通过两种方式来实现：一种是以氢作为单一 燃料在内燃机中使用，即纯氢燃料内燃机；另一种是添加一部分氢到碳氢燃料中， 即混氢燃料内燃机，包括天然气混氢和汽油混氢等，本文所做的研究就是基于汽 油混氢模式。 纯氢燃料内燃机： 纯氢燃料内燃机按混合气形成方式的不同分为外部形成混合气和缸内直接 喷氢两种类型。 ( 1 ) 外部形成混合气 氢燃料内燃机的研究初期一般采用外部形成混合气的方式，这种方式简单易 行；无须对内燃机进行较多的改造，通常采用化油器、进气歧管喷射和进气口喷 射三种方法形成混合气。对于氢燃料内燃机，通过化油器输送燃料是最简单的燃 料供给方法，但化油器内燃机容易产生早燃和回火等非正常燃烧现象。为此研究 人员采用进气歧管喷氢和进气口喷氢技术来解决早燃和回火问题。虽然进气歧管 喷射和进气口喷射可以抑制非正常燃烧的产生，但是这种自然吸气外部形成混合 气方式使内燃机的功率密度较低，不能产生较高的输出功率，因此缸内直接喷氢 成为目前的研究热点。 ( 2 ) 缸内直接喷氢 北京t 业大学i 学顽学位* 立 缸内直接喷氢不仅可以完全避免回火的产生而且可以产生较高的输出功率 并改善燃烧热效率。缸内直接喷氢根据喷射压力的不同可以分为低压喷射和高压 喷射两种方式。低压喷射是在进气阀关闭后低压喷入氢气的方式，喷射压力可降 低至i m p ，此方式对喷射系统要求不高，也可以有效避免回火，但由于燃料喷射 较早，容易发生早燃，因此不能采用较高的压缩比。高压喷射的压力范围为 8 1 1 m p a ，一般是在上止点前4 4 1 0 。曲轴转角( c a ) 将燃料喷入，以这种方 式运行的氢内燃机压缩比较高，在1 2 1 8 之间，因此为了防止早燃与燃烧粗暴， 内燃机的点火时刻只比喷氢时刻延迟l 。c a 左右。上止点前高压喷氢虽然没有 低压喷氢时燃烧组织的好，但输出功率的提高十分明显。与进气道内喷氢的内燃 机相比功率可以提高4 0 左右，比使用相同气缸的汽油机的功率高2 0 j 。 如图1 - 1 中所示，给出了纯汽油、气态氢气预混、液态氢气预混以及高压气态 氢气缸内直喷四种燃烧模式的缸内燃料空气体积比例，同时还给出了各模式相 对纯汽油模式的做功情况。 图1 - 1 四种燃烧模式燃烧室内燃料空气体积比及做功比较”1 f i g1 - 1c o m b u s t i o nc h a m b c r v o l u m e t r i ca n d e n e r g y c o m p a r i s o n f o r g a s o l i n e 日n d h y d z o g e n f u e l e dc n g i n 瞄 混氢燃料自燃机： r 1 ) 天然气混氢 天然气加氢燃烧技术在国外已经有近2 0 年的应用，最早在美国加利福尼亚州 得到应用例。向天然气中添加一定量的氢气可以扩展天然气发动机的着火界限 缩短着火延迟期和燃烧持续期，提高热效率，同时可降低h c 、c 0 2 、s 晚、p b 、 p m 等污染物的排放量。m a s a h i r o u o 瞎人在台单缸发动机上以氢气一天然气的混 合气为燃料，分别在压缩比为1 15 和1 55 的情况下对不同当量比、加氢率( 体积 百分比) 、点火正时进行了研究，结果表明当点火正时能够充分随加氢率变化时， 第l 章绪论 较高的压缩比可以改善高低负荷下的效率，特别当加氢率为2 0 时，发动机的性 能改善更加明显。a n d r e a 1 1 】等人采用计算机模拟和试验相结合的方法对天然气和 氢气天然气混合燃料发动机的性能和排放进行了研究。结果表明，由于氢气具 有较高的火焰传播速度，因此向天然气中加入少量的氢气可以缩短燃烧持续期， 提高热效率，与只燃用天然气相比，氢气天然气混合燃料燃烧产生的n o x 排放 增加，但h c 和c o 排放降低。 ( 2 ) 汽油混氢 向汽油中添加一定量的氢气也能够改善发动机性能。l u c a s 和r i c h a r d s 1 2 l 对氢 气汽油双燃料发动机进行了研究。在起动和怠速时，仅将氢作为发动机燃料； 当负荷增加时，保持向发动机加入氢燃料的质量不变，逐渐增加汽油的量。研究 结果表明，燃用氢气汽油双燃料可以使发动机的燃料消耗率降低3 0 左右，当 节气门全开时发动机在整个负荷范围内都有较高的热效率。 1 2 2 氢燃料内燃机目前存在的问题 氢作为汽车内燃机的燃料有许多优越性，特别是2 0 世纪后3 0 年以来，随着能 源短缺的日益加剧以及环境保护的要求，在各种车辆上使用、燃用氢的努力不断 进行着。然而，要使氢真正成为汽车发动机的主导燃料，必须解决如下一些问题： 首先，发动机从供氢、氢的着火到燃烧工作过程的组织等要进行相应的设计；其 次，汽车上的储氢和携带技术必须有所突破；最后，当车辆大量燃用氢时，氢的 生产、储存和运输等技术必须有长足的进步。 单就内燃机应用氢气作为燃料而言虽然具有很多优点，但同时也有一些目前 难以克服的问题。总的来说纯氢燃料内燃机的发展方向主要是采用诸如复合进 气、稀薄燃烧、电控缸内高压直喷、增压、中冷、提高压缩比、e g r 、降低进气 温度、催化后处理等各种技术来解决其存在的早燃、回火、输出功率密度低、 n o x 排放高等问题，同时对内燃机工作过程进行数值模拟，建立各种计算模型， 实现对喷h 2 正时、点火正时、燃烧过程、起动、怠速、变速等工况的综合优化控 制。 1 2 3 本课题研究的目的和意义 氢是一种可再生能源，其热值比较高，而且氢燃烧后的大部分生成物是水蒸 汽，产生的有害废气很少( 不产生c 0 2 、c o 、h c ，但会产生n o x ) ，是比较理 想的“绿色 燃料，受到国内外很多大公司和高校的追捧，是新能源的研究热点。 汽车每年所消耗的汽油数量占我国汽油使用量的8 7 ，而车用内燃机的热效率不 北京t 业大学t 学硕十学位论文 足3 0 ，重要原因是燃料在发动机气缸内未能充分燃烧，燃烧质量不高，导致汽 车不仅油耗高，而且严重污染了环境。随着汽车保有量的日益增加和石油资源的 减少【2 8 1 ，以及环保法规的日趋严格，降低燃油消耗和改善排放成为汽油机研究 的重中之重，这方面的研究最初主要集中在针对发动机的设计改进，通过改变燃 烧室形状、采用电子技术、可变气门正时等技术改善发动机燃烧质量提高发动机 性能，但这些技术成本较高且不适合在用车辆的发动机改造。 氢气在燃烧时有很多优点，比如着火界限宽广，点火能量低，可以稀燃改善 起动性能；自燃温度高，可以提高压缩比，提高做功能力；火焰传播速度，利于 缸内快速燃烧，提高燃烧质量，减少循环变动；氢气的扩散性很好，有利于油气 混合均匀并迅速扩散。同时，氢气也有自身的一些缺点，比如氢气的储运就是一 个问题。本课题就是想利用氢气自身的物理和化学性质，扬长避短，从改善内燃 机热效率，促进燃料充分燃烧，提高燃烧质量的角度出发，降低油耗，改善排放， 研究氢气在汽车上应用存在的问题和前景，分析问题所在，探讨解决之道，为我 国的氢燃料汽车的发展推波助澜。 1 3 氢燃料发动机的国内外研究现状 在国外，很多大汽车厂家都进行了氢内燃机的研究【1 3 m j ，一些汽车公司已经 研制出氢燃料发动机汽车。如2 0 0 3 年已有多辆宝马7 4 5 、7 5 0 型氢燃料发动机汽车 在柏林市投入使用，并计划在此后4 年内实现小批量投产和上市，2 0 0 4 年，宝马 公司研制的氢发动机汽车“h 2 r 在法国创造了9 项速度纪录；福特公司的v 1 0 氢燃料发动机已经正式投产，搭载该款发动机的汽车已在美国佛罗里达州试运 行；马自达公司也推出了配备r x 8 氢转子发动机的跑车；日产的f c vx - t r a i l 也处在测试阶段；日本武藏工业大学和日产n i s s a n 汽车公司长期合作不断将液 h 2 发动机汽车的研究推向新的高度l l 玎；三菱重工则进行了大功率氢内燃机压燃 试验。 同时，很多学者也对氢气在内燃机领域的应用进行了卓有成效的工作。m a y 和g 丽皿d 1 8 】对双燃料发动机进行了研究，在启动和怠速阶段使用纯氢和过量的 空气；在中、低负荷时氢气、汽油同时使用；在高负荷时只使用汽油以避免过多 的功率损失。a p o s t o l e s c u 和c h i r i a c 1 9 1 也对乘用车的汽油机添加氢气在中低负荷状 态下进行了研究，其研究发现在空气过量的情况下未燃h c 化合物排放会减少， 但在某些空气过量的情况下，n o x 排放有增高的趋势。只有在非常低的燃空当 量比( 0 7 ) 的情况下n o x 的排放才会降低，而此时的h c 排放会增加，两者 呈此消彼长的关系。a n d r e atd t 2 0 】研究了添加少量的氢和氢气氧气混合气( 氢 氧体积比为2 ：1 ) 对汽油机部分负荷性能的影响情况。结果表明，当发动机在稀 混合气条件下( 0 8 ) 运行时，随着氢气添加量的增加，发动机的输出功率 第l 节绪论 增加，燃烧持续期缩短，c o 排放降低；当混合气浓度接近化学计量条件( 0 8 ) 时，添加氢气对发动机性能的影响不明显。在汽油机中混入氢气燃烧的试 验结果表明，在现有汽油机的结构稍加变动的情况下，当混入氢的比例不大，如 小于2 0 时，由于氢具有火焰传播速度快、着火界限宽的特性，可使混合气的着 火延迟期缩短，实现稀薄快速燃烧，提高发动机的经济性：另外，由于氢的链式 燃烧反应产生大量的活化中心，有利于h c 和c o 成分在缸内较充分地进行化学反 应，使排气中二者的含量大大降低，因而可改善排放特性。但在不同工况下，汽 油中氢气的混入比有一个最佳值，混入的过少则不能发挥氢的优点，混入的过多， 容易产生回火现象一】。还有些学者在汽油混氢的基础上又向两者中混入了乙醇， 并且取得了较好的研究结果。m a h e r 和h a r o u n 2 1 】通过研究发现，燃料采用质量 比为4 氢气和9 6 液体燃料( 9 6 液体燃料中体积比为：3 0 乙醇和7 0 汽油) 时可以减少4 9 的c o 排放，3 9 的n o x 扫f 放，降低4 9 的燃油消耗，提高5 的 燃烧热效率和4 的输出功率。 理论方面，国内外很多学者也对氢气在内燃机中与其他燃料混合燃烧的特性 与机理进行了很多卓有成效的工作。y u 等人瞄】研究了甲烷氢气混合气的层流火 焰燃烧速度。结果显示随着混入氢气的增加，甲醇氢气混合气的层流火焰燃烧 速度呈线性增长。l a w 等人【2 3 】研究了在氢气燃烧时加入少量碳氢燃料后的变化， 结果显示少量的碳氢燃料就可以使得氢气的燃烧速度和温度大幅度下降。h a l t e r 等人【2 4 】研究了氢气混合气燃烧时，氢气体积分数和混合气初始压力对燃烧速度 的影响，结果表明氢气量的增大会加速混合气燃烧，而初始压力增大会使燃烧速 度下降。王金华等人【2 5 】用计算机仿真的方法进行了在甲醇空气混合气中加入氢 气进行燃烧的数值研究，结果显示氢气在燃烧中的加速作用主要体现在h ，o 和 o h 摩尔分数的增加。马凡华等人【2 6 】研究了汽油机燃用天然气氢气混合气的稀燃 特性，研究发现随着氢气混入量的增加，混合气的稀燃能力得到显著改善。 在我国，一些汽车公司和科研院所也在对氢燃料发动机进行研究。其中浙江 大学动力机械及车辆工程研究所进行过氢气燃料发动机优化控制的研究；浙江大 学、吉林工业大学、天津大学等进行了有关在汽油机的燃烧过程中加入部分氢气 改善汽油机燃烧过程的研究；上海交通大学利用计算机数值模拟技术对氢气发动 机的性能进行了预测【9 】。北京工业大学也进行了混氢发动机方面的研究，其改造 的汽油氢气混合燃料伊兰特汽车可以像普通伊兰特一样使用，利用氢气起动然 后转换为汽油的设计思路巧妙地利用了氢气的优点，克服了传统发动机在起动和 暖机时排放差的弱点，虽然还不能大幅度降低汽油消耗，但却可以显著降低发动 机尾气排放，从而轻松达到欧洲号排放标准【27 1 。 虽然国内在这个领域做了一些工作，但是从研究内容的广度和深度上，与国 外还存在较大的差距，需要进一步的努力和工作。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 1 4 本课题的来源及主要工作 本课题得到北京市自然科学基金资助项目( 3 0 8 2 0 0 4 ) 和北京市教育委员会 科研基地建设项目( 0 0 5 0 0 0 5 3 6 6 9 0 1 ) 资助。 本文在分析研究了国内外对于氢内燃机燃烧与排放特性的试验研究后，明确 研究方向。对现代伊兰特1 6 ld 型汽油机，进行发动机进气系统、燃料喷射及控 制系统相关改造；并对发动机测控系统进行设计，以达到进行氢燃料内燃机的燃 烧试验研究的要求，从而对氢内燃机的动力性、经济型和排放特性进行试验研究。 本文除试验外，利用试验数据和a v lb 0 0 s t 一维仿真软件对更多工况进行了进一 步的仿真计算，得到了较好的结果。本文主要进行的工作如下： ( 1 ) 阅读国内外相关氢内燃机研究的相关文章，了解研究课题背景； ( 2 ) 提出研究方向，并进行试验及其系统设计； ( 3 ) 对现代伊兰特1 6 ld 型汽油机进行燃氢条件改造； ( 4 ) 搭建氢燃料内燃机( 纯氢、混氢) 的燃烧试验台架系统； ( 5 ) 依据试验设计方案进行试验测试，并记录试验数据： ( 6 ) 利用a v lb o o s t 软件进行更多工况的仿真研究。 第2 章试验系统搭建及仿真软件概述 第2 章试验系统搭建及仿真软件概述 2 1 发动机结构改造 本文的氢气试验采用现代伊兰特1 6 ld 型汽油机做为原型机，针对不同试验 方案，对发动机的进气系统进行了相应的改造，其中包括机械系统的改造和控制 系统的改造。 2 1 1 现代伊兰特1 6 ld 型汽油机概况 本次试验用发动机为现代伊兰特1 6 ld 型汽油机，具体参数详见表2 1 。 表2 1 发动机参数 t a b l e 2 - 1e n g i n ep a r a m e t e r 项目参数 发动机类型 缸径加m 行程m m 排量l 压缩比 连杆长度m m 额定功率( k w ) 转速 ( r m i n ) 最大转距m ) 转 速( r m i n ) 四冲程、直列四缸、水冷 7 7 4 8 5 1 5 9 9 l o ：l 1 4 1 8 2 3 2 6 0 0 0 1 4 3 2 8 4 5 0 0 2 1 2 进气管喷氢改造 本文的试验对原型机的进气系统进行了改装，改造方案有两种。第一种为单 缸喷氢，在第四缸的进气道靠近缸体处打孔后，安装了氢气喷管。通过对氢气的 喷射控制，实现了第四缸纯氢或混氢燃烧两种燃烧模式( 氢气喷管安装见图2 1 ， 试验系统图见2 2 ) 。第二种方案是在保留原机汽油电喷系统的基础上增加了l 套 电控多点进气道氢气喷射系统( 见图2 3 ) ，2 套系统同时向4 个气缸的进气道喷 射汽油和氢气，实现汽油和氢气的实时现场混合。采用自行开发的单片机( 见图 北京i n 大学i 学颈学位* i 2 - 4 ，试验系统圈见图2 5 ) 控制氢气的喷射时刻和喷氢量以及汽油一氢气一空气混 合气的点火时刻，由于氢气喷嘴的安装位置尽可能靠近进气门，可有效避免回火。 该系统具有纯汽油、汽油混氢和纯氢三种燃烧模式。氢气喷射方式为进气道预混 方式，试验中氢气以0 4 m p a 的压力喷入进气歧管。 圈2 1 氢气喷口示意图 f i g2 - is c h e m a t i c d i a g r a mo f h y d r o g e n 嘶e c t o r 幽2 - 2 单缸喷氢试验系统图( 方案1 ) f i 9 2 2s c h e m a t i c so f c x p c n m c a t a ls y s t e m ( s c h e m ei ) 第2 m 验系统措建仿真戟件概述 图2 - 3 四缸氢气喷射系统 f i 9 2 - 3h y d r o g e n 画e c t i o as y s t e m 图2 4 发动机控制单元 北京t 业大学工学硕十学位论文 1 鼍量詈曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量舅笪曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇一 图2 5 四缸氢气喷射试验系统图( 方案2 ) f i g 2 - 5s c h e m a t i c so fe x p e r i m e n t a ls y s t e m ( s c h e m e2 ) i 氢气瓶2 调压阀3 压力表4 稳压器5 阻燃阀6 氢气喷嘴7 节气门8 空气滤清器9 怠速控制阀l o 原机e c u11 混氢控$ ) j e c u1 2 控制电脑1 3 汽油箱1 4 油耗仪1 5 油泵1 6 点火模块1 7 汽油喷嘴1 8 火花塞式缸压传感器1 9 电荷放大器2 0 a d 转换器2 1 燃烧分析 仪2 2 曲轴转角编码仪2 3 空燃比传感器2 4 空燃比分析仪a 原机信号b 1 控制信号b 2 数 据信号 2 2 供氢系统搭建 本文试验中采用的供氢系统采用储气瓶供气方式，氢气瓶安装在试验室外的 储氢隔间中，通过一级减压至1 m p a 通过供氢管道( 见图2 6 a ) 输送进试验间， 经控制台的二级减压和稳压( 0 4 m p a ) 后通至供气喷嘴( 见图2 1 ) 或供氢喷轨 ( 见图2 3 ) 。 试验前先用氮气对整个供氢系统进行扫气5 分钟并进行漏气检测后才可进行 氢气试验。图2 6 b 和图2 6 c 分别为氢气储存隔间和氢气控制台，此控制台可控制 进入发动机进气歧管处的氢气压力和流量。 第2 奄e 骁系统措建厦仿真软件概进 ( 町供氢系统图 s c h 岫a 6 c s o f h y d r o g e ns u p p l y i n gs y s t e m 氢气储存问 h y d r o g e ns t o r a g er o o m ( c ) 氢气流量控制台 c o n s o l eo f h y d r o g e n f l o w 国2 - 6 供氢系统图 f i g 2 与s c h e m a t i c so f h y d r o g e ns u p p l y i n gs v s t e m 2 3 试验测试系统 本文试验系统采用普联f c 2 0 1 0 发动机测控仪和普联g w 电涡流测功机( 转矩最 大测量误差：04 5 fs ；转速最大测量误差：l r p m ) 控制发动机的转矩和转速 油耗采用普联f c 2 2 1 0 智能油耗仪( 燃油流量最大测量误差：04 f s ) 测量。缸 压和曲轴转角信号采用k i s t l e r6 1 1 7 b f d l 7 型火花塞式缸压传感器( 缸压测量精 度06 f s 0 ，见图27 ，安装位置见图2 - 5 ) 和k i s t l e r2 6 1 3 b 型曲轴信号传感器 ( 测量精度为02 。c a ，测量误差小于0o i 。c a 见图2 8 ) 进行测量，这些信号 由d e w e t r o n 燃烧分析仪进行分析，获得缸压一曲轴转角关系曲线。空气流量采用 美国e p i 一8 0 0 型热式空气质量流量计测量( 测量精度i f s ) 。氢气流量采用北 京七星华创生产的d 0 7 1 9 b m 型热式氢气质量流量计( 测量精度1 f s ) 测量。 使用h o i z i b am e x a 1 1 0 h 型空燃比分析仪与h o r i b am b2 0 1 型宽域氧传感器测量发 n i i 大学i 学碰i 岸位* 女 动机空燃比( 空燃比为1 4 ? a f 时测量最大误差为0i a f ) 。备仪器误差列表如 r 。 表2 2 试验醅备的误差和精度 t a b l e 2 - 2 u n c e r t a i n t ya n ds 咄i t i , a t y o f t h ee x p e r i m e n t a l i n s l r u r n e m s 名称误差灵敏度型号 生产商 测功机 燃料流量计 转角编码仪 缸压传感器 空气流量计 氢气流量计 空燃比分析仪 捧放分析仪 误差l r p mf s p e e d ) 误差i 0 4f s ( t o r q u e ) 误差0 4 fs 灵敏度0 2 0 c a 误差如0 1 。c a 误差士0 6 f s o 误差1 fs 误差i fs 误差士。i a fa i a f = 1 47 n o x ；灵敏度l p p m ； 误差! 1 f c 2 2 1 0 2 6 1 3 b 6 1 1 7 b f d l 7 p o w e r l i n k p o w e r l i n k c 0 2 ：灵敏度0 0 1 ， 误差( 1 m e x a 7 1 0 0h 。幽 h c ：灵敏度l p p m ； 误差( 1 c o ：灵敏度l p p m ； 误差( 1 图2 7 缸压传感器图2 8 曲轴转角编码仪 f i g2 7p i e z o e l e e i a s c h i g h - d n b e t r a n s d u c e r f i g2 - 8 0 p t i c a lc r a n ka n g l e c o d 盯 第2 章试验系统措建及仿真软件概述 圈2 - 9 捧放检测探头 f i g 2 - 9e n d s s i o i ls e n s o r 图2 1 0 捧放分析仪 f i 9 2 - 1 0 e x h a u s t g a sa n a l y z e r 2 4 仿真软件概述 本文所用的仿真软件a v lb o o s t 是一个为建立整台发动机的模型而开发的 一套模拟程序。它不仅可以在设计阶段预测发动机的稳态性能，而且还可以分析 成型发动机的热力学过程。模拟的目标是减少在昂贵的试验台架上的投资，并且 可以在计算机上用一种或更多种能应用于实际的产品更换原来的机型。它可阻进 行一维发动机工作过程模拟( 包括实际循环模拟、换气过程模拟) 计算，使用户 建立一个完整的发动机模型( 包括各种附件，例如空气滤清罂、e g r 系统等) ， 进行发动机稳态及瞬态性能方面计算，同时可以对进、排气系统等一些影响性能 的主要零挪件进行优化设计。 2 4 1 软件介绍 a v l b o o s t 是一个功能强大，界面友好的发动机稳态和瞬态性能分析软件。 它包含下述四个模块： ( 1 ) b o o s t 发动机性能分析模块，可以进行 口各种发动机草案的对比； o 针对发动机输出功率，扭矩和燃油消耗的要求进行发动机部件的设计优化， 例如进气系统，排气系统，气门尺寸等； 口优化气门正时和凸轮型线： 口增压系统的设计：可以进行涡轮增压器的匹配，两级涡轮增压、复台增压 匹配，阱及动力涡轮的设置和模拟： 口考虑整车特性和驾驶员状况对发动机瞬态性能进行评价( 加速加载，减速 卸载) ： 北京t 业大学t 学硕十学位论文 口燃烧分析工具，对试验测得的示功图进行分析得到气缸的放热率曲线； 口d e s i g ne x p l o r e r - f 具能够实现发动机多目标多参数的优化过程； 口与优化软件i s i g h t 的接口设置，进行发动机性能的优化方案的选择； ( 2 ) b o o s t 线性声学分析模块 使用线性声学分析方法对消音器的声学特性进行分析，这个模块对消音器单 独建模，得到的是消音器的声学特性。 ( 3 ) b o o s t 尾气净化装置模块 对尾气净化装置( 即各种类型的催化转化器和颗粒滤清器) 的转化效率进行 模拟分析，根据排放要求进行尾气净化装置的选型。 ( 4 ) b o o s t 的热网络生成器模块( t n o ) 可将发动机机体根据其传热特性生成各种格式的热网络模型，为整机热管理 的分析提供基础模型。 作为建立整台发动机的模型而开发的一套模拟程序，它可以模拟包括燃烧在 内的发动机的整个工作循环过程。程序包括以下内容： 口基于w i n d o