氢内燃机NOx排放特性的试验研究.pdf

第3 2 卷第2 期内燃机工程V 0 1 3 2N o 2 2 0 11 年4 月C h in e s eI n t e r n a lC o m b u s t io nE n g in eE n g in e e r in g A p r il 2 0 11 文章编号 1 0 0 0 一0 9 2 5 2 0 1 1 0 2 0 0 5 3 0 4 氢内燃机N O x 排放特性的试验研究 孙柏刚1 赵建辉1 赵陆明1 刘福水1 胡铁刚2 杨柏林2 1 北京理工大学机械与车辆学院 北京1 0 0 0 8 1 2 长安汽车股份有限公司 重庆4 0 0 0 2 3 E x p e r im e n t a lS t u d yo nN O E m is s io n so fH y d r o g e nI n t e r n a l C o m b u s t io nE n g in e S U NB a i g a n 9 1 Z H A OJ ia n h u il Z H A O L u r u in 9 1 L I U F u s h u il H UT ie g a n 9 2 Y A N GB o l in 2 1 S ch o o lo fM e ch a n ica la n dV e h icu l a rE n g in e e r in g B e ij in gI n s t it u t e o fT e ch n o l o g y B e ij in g1 0 0 0 8 1 C h in a 2 C h a n g a nA u t o m o b il eC o m p a n yL im it e d C h o n g q in g4 0 0 0 2 3 C h in a 3 2 0 0 2 8 A b s t r a ct E x p e r im e n t a ls t u d yw a sca r r ie do u to nt h ech a r a ct e r is t icso fco m b u s t io na n dN O xe m is s io n s o fa2 0Lh y d r o g e nin t e r n a lco m b u s t io ne n g in e H I C E T h eco r r e l a t io n sb e t w e e nN 0 e m is s io n sa n db o t h e q u iv a l e n cer a t io 中a n dig n it io nt im in gw e r ee x a m in e d E x p e r im e n t a lr e s u l t ss h o w a t 西一0 8 8t h eN 卫e m is s io n sr e a chm a x im u mv a l u e w h e n 垂iSb e l o w0 8 8t h eN 0 e m is s io n sin cr e a s ew it h 西in cr e a s in ga n d w h e n 函isint h er a n g eo f0 8 8t o1 2t h eN O e m is s io n sd e cr e a s eq u ick l yw it h 垂in cr e a s in g F o rl e a nm ix t u r e t h ee f f e cto fig n it io nt im in go nN qf o r m a t io nisr e l a t iv e l ys m a l l T h ea ch ie v e m e n t sa r eu s e f u lt od e v e l o p m e n t o fHI C El e a nco m b u s t io nt e ch n iq u et or e d u cee f f e ct iv e l yit sN O e m is s io n s 0 概述 摘要 以一台2 0 L 氢内燃机为测试对象 对其排放及燃烧特性进行了试验研究 探讨了 N 0 随当量比垂 点火提前角的变化关系 试验结果表明 在西一0 8 8 时 N O 生成量达到最 大 在西 o 8 8 时 N q 的生成量随圣的增加而增加 在0 8 8 西 1 2 时 N q 生成量随垂的 增加急剧减少 当混合气比较稀薄时 点火提前角对N 0 的贡献率相对较小 研究结果可用 于氢内燃机稀薄燃烧技术的开发 可有效降低氢内燃机N 0 排放 关键词 内燃机 氢内燃机 N O r 排放 点火时刻 K e yw o r d s I Ce n g in e h y d r o g e nin t e r n a lco m b u s t io ne n g in e H I C E N o e m is s io n ig n it io nt im in g 中图分类号 T K 4 6 3 文献标识码 A 节能与环保是目前汽车工业所面临的两大主要 问题 积极开发新能源 寻找汽车代用燃料是解决 两大问题的重要技术途径 氢作为一种可再生清洁 燃料得到极大关注 氢能源经济的概念已经得到了 广泛认同n 3 氢气具有宽广的可燃范围 很快的燃 烧速度 更低的点火能量特点 是优良的内燃机代用 燃料 2 J 美国 欧洲和日本的部分汽车公司和大学等机 构正在进行氢燃料汽车的相关技术研究开发 宝马 汽车公司自1 9 7 8 年开始 已经研发了六代氢内燃机 驱动的轿车 应用P F I p o r tf u e lin j e ct io n 喷嘴燃油 喷射 技术的B M W 样车达到S U L E V 超低排放车 收稿日期 2 0 0 9 0 6 3 0 基金项目 国家 八六三 高技术研究发展计划 节能与新能源汽车 t 大项目 2 0 0 6 A A I I A I B 6 作者简介 孙柏剐 1 9 6 9 一 男 副教授 主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制 E m a il s u n b g b it e d u cn 5 4 内燃机工程2 0 1 1 年第2 期 辆 排放限值的1 1 0 2 0 0 6 年后逐步将以氢内燃机 为动力的宝马7 系轿车推向市场 虽然氢气的燃烧特性与汽油及柴油显著不同 但燃烧过程中产生N o 排放是必然的 由于氢燃料 燃烧速度比汽油快 会使火焰层面的温度远高于汽 油燃烧的温度 当氢燃料用于内燃机时可能会产生 大量的N O 排放 因此控制N 0 排放成为目前研究 氢内燃机的一个主要方向 国内外对氢内燃机N O 排放进行了一些研究 如文献 3 4 通过试验研究得 到N O 生成量随当量比变化的曲线 但是并没有深 入分析N O 生成量和当量比之间的关系 文献 5 7 研究得到在当量比为1 时N 0 生成量最大 这个结 论与文献 3 4 的试验结果很不一致 文献E 8 研究 得到N O 生成量随点火提前角的增加而增加 但并 没有分析上面的结论是否适用于不同浓度的混合 气 也没有分析该现象产生的原因 本文针对上述问题 对某2 0L 氢内燃机进行排 放及燃烧特性测试 深入研究氢内燃机中N O 生成 量随混合气当量比及点火提前角的变化规律 并揭 示其变化机理 1 发动机试验系统组成 1 1 试验样机 试验用氢内燃机的具体技术参数见表1 目前 采用的供氢方式为缸外进气道喷射 即将氢气喷嘴 布置在各缸进气道入口处 根据发动机转速和负荷 精确控制空燃比 考虑到氢气密度低 需要喷射的 体积流量大 所以每缸安装了2 个氢气喷嘴 图1 为台架布置图 表1 氢内燃机的主要技术参数 项目参数 发动机型式直列4 缸 水冷 缸径 行程 m m8 6 8 6 连杆长 m m 1 4 2 8 压缩比1 0 排量 m m 3 19 9 8 1 2 试验条件 保持氢内燃机转速为20 0 0r r a in 节气门全开 当量比0 3 3 1 2 点火提前角O 7 0 C A 当氢内 燃机燃用的混合气由浓变稀时 必须通过改变点火 提前角来避免回火 当量比西一实际燃空比 理论 燃空比 C A 5 0 为5 0 放热率点对应的曲轴转角 1 3 试验测量设备 表2 为试验中主要的测量仪器 1 氢气瓶2 电磁截止阀3 级减压阀 1 3 M P a 0 8 M P a 4 氢气流量计5 二级调压阀 0 2 O 5M P a 6 氢轨 7 氢气喷嘴8 火花塞式压力传感器9 排温传感器 1 0 宽域氧传感器1 1 空气流量计1 2 稳压箱1 3 蓄电池 1 4 曲轴传感器1 5 电子节气门1 6 三元催化转换器 1 7 E G R 管路1 8 排气分析仪采样通道1 9 手动E G R 阀 图1 试验台架布置 表2 主要测量仪器 名称型号 台架测试系统湘仪F C 2 0 0 0 系统 空气流量计 热线式质量流量计 氢气流量计C M F 0 1 0 科氏流量计 排气分析仪 A V LD l G A S4 0 0 0 燃烧分析仪D e w e t r o n 5 0 0 0 系列 缸压传感器 K is t l e r 6 117 B 安全系统Q u a d g a r d 监控系统 2 试验结果分析 2 1 N O 生成量随当量比的变化规律 图2 为固定点火提前角为1 0 C A 时 N Q 生成量 随圣的变化关系 由图2 可见 在垂 o 5 时 随着垂 的增加 N Q 生成量增幅很小 对N q 生成量的贡献 率很小 在0 5 参 O 8 8 时 N q 的生成量随着西的增加而迅速降低 N q 生 成量在中为0 8 8 时达到最大值 这个变化规律和文 献 3 4 9 试验得到的规律是一致的 2 籁 求 嘲 蜒 d Z 当量比 图2N q 生成量随当量比的变化 2 0 1 1 年第2 期内燃机工程 5 5 氢内燃机中N O 主要以热力型N 0 为主 有利 于N O 生成的3 个条件是高温 富氧 高温持续时间 长 而温度对N 0 的生成影响最为显著 热力型 N O 生成的临界温度为l8 0 0K 当温度超过18 0 0K 后 随着温度的升高 N Q 生成量按指数规律迅速增 加 当温度超过20 0 0 K 时 温度对N q 生成量的贡 献率就变得非常明显 1 引 本文中缸内最高平均温度 是利用R ica r d o w A V E 软件计算得到 仿真模型计 算得到的燃烧压力 放热率曲线与实测的燃烧压力 放热率曲线具有良好的一致性 图3 为缸内最高平均温度随当量比的变化情 况 由图3 可见 在西为0 3 3 o 5 范围内 随着西 的增加 缸内最高平均温度从14 1 2K 升高至19 7 2 K 温度刚好超过N 0 生成的临界温度 并且缸内局 部温度可能高于18 0 0K 因此N 晚生成量也随着温 度的升高而小幅度增加 但是整体上垂对N O 生成 量贡献率不大 在西为0 5 2 时 缸内最高平均温度 为21 0 9K 此时温度已经超过N 0 明显生成的温度 温度对N O 的贡献率就变得非常明显 当面从0 4 8 增加到0 5 2 时 N 0 的生成量随温度升高从1 0 7 1 0 6 迅速增加到4 7 5 1 0 型 赠 露 斗 惺 略 翟 耳 当量比 图3 缸内最高平均温度随当量比的变化 在垂为0 5 2 1 2 范围内 缸内最高平均温度 随着西的增加而增加 但是N 0 生成量并非持续增 加 而是在西为0 8 8 时达到最大 之后随着 的增 加而降低 这是因为在西为0 5 2 o 8 8 范围内 混 合气中氧气比较充足 温度成为影响N O 生成的主 要因素 缸内温度越高 N O 生成量就越大 高温导 致N O 大量生成 在西 0 8 8 时 随着垂的增加 缸内最高平均温度继续增加 但此时缸内的空气量 越来越少 与氮气结合的氧气越来越少 并且由于氢 气燃烧速度加快 使得高温燃气滞留缸内时间缩短 氧气的减少和滞留时间的缩短共同制约了N 0 的生 成 其中 当西 1 时 过量的氢气不仅会还原一部 分N O 而且会吸收缸内热量 使得缸内的温度降 低 温度和氧气的不足共同影响了N O 的生成 2 2N O 生成量随点火提前角的变化规律 图4 为N O 生成量随点火提前角的变化情况 由图4 可见 在垂 0 5 时 N O 生 成量随着点火提前角的增加而增加 并且增幅随着 西的增加而迅速增大 以西为0 4 3 和西为0 5 9 为 例 具体分析点火提前角与N O 生成量之间的关系 口 2 籁 条 咖 喀 d Z 点火提前角 C A 图4 N O 生成量随点火提前角的变化 图5 为燃烧持续期和C A 5 0 随点火提前角的变化 情况 由图5 可见 在不同的当量比下 随着点火提 前角的增加 燃烧持续期缩短 并且C A 5 0 点逐渐靠近 上止点 这是由于氢气燃烧速度变快导致的 对西为 0 4 3 的混合气而言 点火提前角对减小燃烧持续期的 作用要比西为0 5 9 时的作用大 即混合气越稀薄 点 火提前角对减小燃烧持续期的贡献就越大 p 躁 然 嵌 埋 鬟 p 躁 蝼 她 璎 餐 点火提前角 C A a 仁O 4 3 点火提前角 C A b 归0 5 9 图5 燃烧持续期和C A 5 0 随点火提前角的变化 uQ工v p 骶苔g遥靛o u oo工v p 骶譬g毯霞o u 5 6 内燃机工程2 0 1 1 年第2 期 在转速固定和西 l 时 N O 生成量主要取决于 温度 图6 为缸内最高平均温度随点火提前角的变 化情况 由图6 可见 缸内最高平均温度均随着点 火提前角的增加而增加 在圣为0 4 3 时 随着点火 提前角的增加 缸内最高平均温度从不到N 0 生成 的临界温度增加到适合N O 生成的温度 此时缸内 最高平均温度达到了19 8 6K 因此对稀薄混合气而 言 点火提前角对N O 生成量的贡献率较小 在西为 0 5 9 时 随着点火提前角的增加 缸内最高平均温度 从21 1 9K 增加到23 4 9K 在这样的温度范围内 温 度的小幅度增加均将引起N O 生成量的成倍增长 弩 世 赠 露 谯 略 翟 增 点火提前角 C A 图6 缸内最高平均温度随点火提前角的变化 图7 为转矩随点火提前角的变化情况 由图7 可见 混合气越稀薄 点火提前角的增加对转矩增加 的作用就越大 并且在不同的当量比下 随着点火提 前角的增加 N Q 的生成量逐渐增加 而转矩却是先 增加而后减小 在进行稀薄燃烧时 可以通过选择 合适的点火提前角 以实现增加转矩的同时又能满 足N O 排放的要求 晕 邑 裂 辞 3结论 点火提前角 C A 图7 转矩随点火提前角的变化 1 通过试验得到N q 生成量随当量比西的变 化规律 为0 5 是N O 明显生成的分界点 在 0 5 时 垂对N O 生成量贡献很小 在0 5 函 O 8 8 时 N O 生成量随着西的增加而增加 在多为0 8 8 时N O 生成量达到最大 在0 8 8 垂 1 2 时 N O 生成量随着函的增加而迅速减少 2 在稀混合气范围内 O 0 5 点火提前角 对N o 生成量贡献率很小 在浓混合气范围内 点火 提前角对N O 生成量作用明显 N q 生成量随点火 提前角的增加而显著增加 随着点火提前角的增 加 燃烧持续期缩短 5 0 放热率点逐渐靠近上止 点 燃烧速度变快 缸内最高平均温度增加 3 在不同当量比下 随着点火提前角的增加 N q 生成量逐渐增加 转矩却是先增加而后减小 在 进行稀薄燃烧时 可以通过选择合适的点火提前角 以实现增加转矩的同时又能满足N q 排放的要求 参考文献 1 3 杨振中 王丽君 熊树生 氢经济时代的车用H 2 燃料发动机的 研究与展望 J 车用发动机 2 0 0 5 2 卜4 Y a n gZZ W a n gLJ X io n gSS R e ce n tr e s e a r cha n dd e v e l o p m e n tt r e n do nh y d r o g e n f u e l e de n g in e sf o rm o t o rv e h icl einh y d r o g e ne co n o m yt im e s J V e h icl eE n g in e 2 0 0 5 2 1 4 2 秦朝举 段俊法 内燃机燃用氢气的研究进展 J 农业装备与 车辆工程 2 0 0 9 1 3 4 3 6 Q inZJ D u a nJF T h es t u d yp r o g r e s so fh y d r o g e nu s e do nin t e r n a l co m b u s t io ne n g in e J A g r icu l t u r a lE q u ip m e n t V e h icl e E n g in e e r in g 2 0 0 9 1 3 4 3 6 3 T a n gxG K a b a tDM N a t k inRJ e ta 1 F o r dp 2 0 0 0h y d r o g e ne n g in ed y n a m o m e t e rd e v e l o p m e n t C S A E2 0 0 2 0 1 0 2 4 2 2 0 0 2 4 S a f a r iH J a z a y e r iSA E b r a h im iI LP o t e n t ia l so fN qe m is s io nr e d u e t io nm e t h o d sinS Ih y d r o g e ne n g in e s s im u l a t io ns t u d y J I n t e r n a t io n a lJ o u r n a lo fH y d r o g e nE n e r g y 2 0 0 9 3 4 1 0 1 5 1 0 2 5 5 芮鹏 李国岫 氢燃料发动机燃烧与排放控制研究进展 J 柴 油机设计与制造 2 0 0 5 1 4 4 8 1 2 6 D a sLM G u l a t iR G u p t aPK P e r f o r m a n cee v a l u a t io no fa h y d r o g e n f u e l l e ds p a r kig n it io ne n g in eu s in ge l e ct r o n ica l l yco n t r o l l e ds o l e n o ida ct u a t e din j e ct io ns y s t e m J I n t e r n a t io n a l J o u r n a lo fH y d r o g e nE n e r g y 2 0 0 0