过量空气系数对氢内燃机冷起动燃烧及排放的影响

1、中国工程热物理学会学术会议论文燃烧学编号：184236过量空气系数对氢内燃机冷起动燃烧及排放的影响纪常伟1,2白晓鑫1汪硕峰1,2徐溥言1100124; 2.北京(1.北京工业大学环境与能源工程学院区域大气复合污染防治北京市重点实验室，北京电动车辆协同创新中心，北京 100081)(Tel: Email: baixiaoxin)摘要：在一台1.6 L四缸进气道燃料喷射氢内燃机上，试验研究了过量空气系数对氢内燃机冷起动燃烧与排放特性的影响。试验中，将内燃机冷却水及机油温度均控制在24 + 0.50，过量空气系数由1.54逐渐减小至0.72。试验结果表明：随着过量空气系数

2、逐渐减小时，起动转速峰值逐渐升高，而成功起动时间 逐渐缩短。相同循环数下，氢内燃机冷起动过程中火焰发展期和快速燃烧持续期均随过量空气系数的减小而缩短。冷起动前6秒内，NOx排放显著下降，NOx平均值降低约84.4%,而HC、CO排放有所升高。 关键词：内燃机；燃烧；排放；氢气；冷起动；过量空气系数Combustion and emissions performance of a hydrogenengine during cold start at different excess air ratiosJI Changwei1,2 BAI Xiaoxin 1 WANG Shuofeng1,2

3、XU Puyan1(1. Beijing Key Laboratory of Regional Air Pollution Prevention and Control, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. Collaborative InnovationCenter of Electric Vehicles in Beijing, Beijing 100081, China)Abstract: This pape

4、r experimentally investigated the combustion and emissions performance of a hydrogen engine during cold start at different excess air ratios(.The engine was started under the same ambient temperature of 24 此5 C and 入 decreasedrom 1.54 to 0.72. The experimental results showed that, with the decrease

5、of the,peak engine speed was increased while the successful starting duration for hydrogen engine was shortened. Both of the flame development and propagation periods were shortened with the decrease of 入 The results indicated that, NOx emissions were obviously decreased, whereas HC and CO emissions

6、 caused by the evaporated lubricant oil were increased by decreasing 入 within the first 6 s. The average NOx emissions in基金项目：国家自然科学基金资助项目(51476002);北京市教育委员会科技计划资助项目(KM201510005011);北京市教育委员会科技计划重点资助项目(KZ201610005005)作者简介：纪常伟(1965),男，教授，主要从事内燃机燃烧、节能与排气净化方面的研究，E-mail:chwjithe first 6 s reduced by 84.4

7、%.Key words: Engine; Combustion; Emission; Hydrogen; Cold start; Excess air ratio0前言随着能源的逐年消耗和排放法规日趋严格，积极开发新能源、寻找车用内燃机代用燃料已经成为内燃机领域重要的研究课题。在众多的内燃机代用燃料中，氢气因具有点火能量低、燃烧界限宽、火焰传播速度快、燃烧产物清洁等优良燃烧特性，而被广泛认为是车 用内燃机较为理想的替代燃料之一1-3 O由于氢内燃机具有热效率高、燃料消耗率低及排放物单一等特点，国内外学者对纯氢内燃机的燃烧与排放特性均进行了较为广泛、深入的研究4-9,然而，上述研究主要集中于怠速

8、、部分负荷及高速、大负荷下氢内燃机的燃烧 与排放研究，对于冷起动工况下氢内燃机燃烧与排放特性的研究较少。冷起动是内燃机的一种典型工况，也是内燃机状态最不稳定、燃烧最恶劣的工况10.研究冷起动过程中氢内燃机的燃烧与排放特性，对于改善氢内燃机整体性能具有重要的意义。尽管有些学者对氢内燃机冷起动已经做过一些研究，但这些研究集中在点火角对氢内燃机冷起动燃烧与排放性能的影响及氢内燃机冷起动策略11-14,对过量空气系数对氢内燃机冷起动燃烧与排放特性影响的研究鲜见报道。因此，本文在一台四缸进气道燃料喷射氢内燃机上，通过改变氢气喷射脉宽， 就不同过量空气系数下氢内燃机冷起动燃烧与排放特 性进行了试验研究。1

9、试验系统与试验方案1.1 试验系统试验所用原型内燃机为北京现代所生产的Gamma 1.6 L直喷汽油机，该机基本参数见表1。试验前通过加装一套多点电控氢气喷射系统将试验用汽油机改装为纯氢内燃机，其 中氢气喷嘴与氢气轨安装在原机进气道。采用一套自主设计的电子控制单元（NECU）对该内燃机氢气喷射脉宽进行实时在线控制和调整。表1内燃机主要技术参数Tab.1 Engine specifications攵数值缸径/mm77活塞行程/mm85.44排量/L1.591压缩比9.5额定转矩（转速）/ N m （r/min）265(4500)额定功率（转速）/ kW （r/min）132.4(5500)本试验

10、所用的氢内燃机试验系统简图如图1所示。试验中利用湘仪动力所生产的GW160型电涡流测功机测量和控制氢内燃机转速（最大测量误差：±1 r/min）及转矩（最大测量误差：土 0.4 N m）;使用七星华创生产的D07-1FM热式流量计测量内燃机空气流量（最大测量误差：土 0.02 L/min ）;使用七星华创所生产的 D07-60B型热式流量计测量氢气在标准状态下的体积流量（最大测量误差：土2%）;使用 Horiba公司所生产的MEXA-730入空燃比分析仪测量混合气过量空气系数（最大测量误差：±1%）;使用Kistler6117BFD17型火花塞式缸压传感器实时采集缸压信号并

11、控制相应的工作缸点火（最大测量误差：土 0.3 bar）;缸压传感器与 Kistler燃烧分析仪 KiBox相连接，使用 KiBox Cockpit 燃烧分析软件实现对氢内燃机冷起动燃烧过程中循环数、曲轴转角及缸内压力的实时采集和处理；使用 Horiba MEXA-7100DEGR 实时测量氢内燃机冷起动过程中排放物体积分数 （最大测量误差：土 1%）。111016CANNECUs L signal from engine OECU 二sensors(intake air pressure , crankshaft position ,coolant temperature,etc)图1氢内燃

12、机台架试验系统结构图Fig.1 Schematic diagram of the hydrogen engine test bench1.氢气瓶2.氢气管路开关 3.氢气管路减压阀4.氢气流量计 5.阻燃阀6.氢气喷嘴7.节气门8.空气流量计9.原机电子控制单元（OECU） 10.自主开发电子控制单元（NECU） 11.标定计算机12.点火模块13.火 花塞式缸压传感器 14.电荷放大器15.A/D转换器16.燃烧分析仪17.氧传感器18.空燃比分析仪19.尾 气采样管20.排放分析仪1.2 试验方案试验中，将内燃机冷却水及机油温度均控制在（24±0.5七）之间，氢气供给压力为0.4

13、 MPa。通过OECU自动调整不同过量空气系数条件下的节气门开度及点火时刻，以保 证内燃机在改用纯氢模式后仍然能够成功起动并在其目标怠速附近稳定运转；通过NECU逐步调节氢气的喷射脉宽，以研究不同过量空气系数下的纯氢内燃机冷起动燃烧与排放特性。氢气-空气混合气过量空气系数（入）可表示为：(1)=mU/(mH2 AFh2)式中，mair、mH2 空气和氢气的质量流量，kg/h ；AFh2 氢气的理论空燃比，AFh2=34.3。尾气分析仪对纯氢内燃机冷起动 得到试验结果。不同过量空气 左右。利用KiBox燃烧分析仪及 Horiba MEXA-7100DEGR前50个连续循环缸压数据及前 6秒排放进

14、行采集和分析, 系数下，由起动电机拖动的氢内燃机转速均为200 r/min2试验结果分析2.1 内燃机转速转速是判断内燃机冷起动成功的重要参数。图2为不同过量空气系数下， 氢内燃机冷起动前6秒内转速随时间的变化曲线。从图2可以看出，随着过量空气系数的减小，氢内燃机冷起动过程中转速峰值逐渐提高，而起动成功时间即达到目标怠速转速的时间呈现逐渐缩短的变化趋势。当过量空气系数由1.54降低至0.72时，氢内燃机冷起动过程中峰值转速由1289 r/min逐渐升高至1649 r/min ,成功起动时间由 2.4 s缩短至1.9 s。这主要是因 为，随着过量空气系数的减小，混合气逐渐加浓，使得每循环有更多的

15、氢气进入缸内参与 燃烧，燃料燃烧速度加快15,放热量增加。因此，氢内燃机冷起动过程中转速峰值随过量 空气系数的减小逐渐升高，而成功起动时间呈现缩短的变化趋势。可见，减小过量空气系 数有利于提高氢内燃机冷起动阶段的峰值转速并缩短成功起动时间。图2还表明，随着时间的增加，不同过量空气系数下氢内燃机转速均先迅速升高后逐 渐降低。这主要是因为OECU在冷起动时采用了一个相对较大的节气门开度，使得更多的混合气进入气缸参与燃烧，导致内燃机转速迅速升高。当内燃机成功起动后，OECU通过减小节气门开度使氢内燃机逐渐进入怠速工况，因此，4秒后内燃机转速逐渐降低。图2不同过量空气系数下转速随时间的变化Fig.2

16、Engine speed variations versus time at different excess air ratios2.2 缸内压力缸内压力是反映内燃机燃烧过程的重要参数。图3给出了不同过量空气系数下氢内燃机冷起动前5个循环缸内压力随曲轴转角的变化曲线。从图3可以看出，不同过量空气系数条件下，氢内燃机均自首循环起顺利着火起动。这主要是由于氢气具有点火能量低、着 火界限宽等优良的物化特性，在不同过量空气系数下，氢气-空气混合气均可快速被点燃，从而实现氢内燃机首循环有效着火。从图3还可以看出，不同过量空气系数下，缸压峰值随循环数的增加逐渐降低。造成这种现象的原因主要是OECU需要在

17、冷起动时采用一个相 对较大的节气门开度，以便使更多的混合气可以进入到缸内，保证氢内燃机顺利起动。而当氢内燃机起动成功后，OECU又会降低节气门开度，使内燃机逐渐进入怠速工况。由于节气门开度的降低会使进入缸内的氢气流量减少，因而缸压峰值自起动首循环起逐步降低。0 妣 1200)0W军 M却第 360a曲岫转曲t TAM)r|60A-1 B&j0 加剧 1200 IKin MQO .loooIt HK) 12U01W0 24WJ3fM曲制M句，A曲轮转ffj t 5cA图3起动前5个循环缸内压力随曲轴转角的变化Fig.3 Variations of cylinder pressure wi

18、th crank angle at different excess air ratios图4给出了氢内燃机起动首循环缸压峰值（Pmax）随过量空气系数的变化曲线。由图 4可以看出，随着过量空气系数的减小，氢内燃机起动首循环的峰值压力先逐渐升高而后又小幅降低。这是因为在过量空气系数为1.011.54范围内，随着过量空气系数的减小，混合气逐渐加浓，每循环进入缸内的氢燃料逐渐增多且燃料燃烧速度加快，导致起动首循环缸压峰值逐渐升高。而当混合气的过量空气系数小于1.01时，随着过量空气系数的减小，虽然进入缸内的氢燃料流量仍在逐渐增大，但由于氧含量的不足，缸内燃烧条件恶化，燃 烧不充分，放热量反而减少，

19、因而缸压峰值有所降低。图4还表明，与 F1.01相比，过量空气系数分别为1.54和0.72时，氢内燃机起动首循环峰值缸压分别降低约10.04%和0.37%。由此可见，较大的过量空气系数不利于氢内燃机冷起动，而浓燃对氢内燃机冷起动峰值缸压的影响较小。6$< 5045。卫 0,8 LQ 1.21,41.6过量空气系数图4起动首循环Pmax随过量空气系数的变化Fig.4 pmax versus excess air ratio for the first cycle 2.3燃烧过程内燃机的工作性能取决于燃料在内燃机缸内燃烧状况，而火焰发展期（E0-10）和快速燃烧持续期（910-90）是两个表

20、征内燃机燃烧状况的关键指标。内燃机火焰发展期和快速燃 烧持续期定义为点火至10% （质量分数）燃料燃烧和10% （质量分数）至 90% （质量分数）燃料燃烧所经过的曲轴转角16。由于冷起动过程中燃烧不稳定，为更加明确反映过量空气系数对氢内燃机冷起动燃烧过程的影响，图 5和图6分别对氢内燃机冷起动前50个循环 凡10和&0-90的数据根据最小二乘法进行了拟合。图5和图6表明，相同循环数下，氢内燃机冷起动过程中a9和址-90均随过量空气系数的减小而缩短。稀燃条件下，这种趋势更加明显。这主要是由于随着过量空气系数的 减小，进入缸内混合气逐渐加浓，有利于火核的形成和火焰的快速传播17;同时，过

21、量空气系数的减小意味着进入缸内的空气量逐渐减少，空气对燃烧室降温冷却作用降低，使得缸内温度得到相对提高。而提高燃料在初始阶段的温度使得氢燃料更加容易被点燃和快速 燃烧3。此外，由图3可以看出，相同时刻下，随着过量空气系数的减小，氢内燃机转速 逐渐升高。转速增大时，增强了缸内的湍流强度，使点火时缸内温度、压力相应提高，导 致火焰发展期和快速燃烧持续期逐渐缩短。因此，氢内燃机如0和 址-90随过量空气系数的减小而逐渐缩短。可见，适当减小混合气的过量空气系数可以有效缩短氢内燃机冷起动过程中的火焰发展期和快速燃烧持续期，有利于降低内燃机冷起动过程中的循环变动，提高起动的可靠性。图5不同过量空气系数下h

22、i。随循环数的变化Fig.5 00-10versus crank angle for the first 50 cycles at different excess air ratios30 r Z 154Z=l .4135 一 一加 ZJl=l.01<=0,SR0in 20304050循环收图6不同过量空气系数下010-90随循环数的变化Fig.6 010-90 versus crank angle for the first 50 cycles at different excess air ratios对比图5和图6还可以看出，在不同过量空气系数下，冷起动前50个循环中，随着循环数

23、的增加，生-10、&0-90均先逐渐延长然后有所缩短。造成这种现象的原因主要是，冷 起动前几个循环需要加大氢气喷射量以保证内燃机以浓混合气顺利起动，较浓的混合气有利于火焰的发展和快速传播，因而 hi。及00-90在初始几个循环均较短。当氢内燃机成功 起动后，随着循环数的增加，OECU减小节气门开度以使内燃机过渡到怠速工况，使得进入缸内的氢气能量减少，不利于火核的形成和发展，因此60-10逐渐延长；而由于节气门开 度的降低减弱了缸内湍流强度，同时进入缸内的新鲜充量降低使得残余废气系数增加，因而 俄一90随循环数的增加而逐渐延长。随着循环数的继续增加，凡10及。10一90出现缩短趋势，这主

24、要是因为缸内温度的逐渐升高，有利于火焰的发展和快速传播，这使得生-10、010-90 有所缩短。2.5排放NOx是纯氢内燃机主要有害排放物，降低 NOx排放是纯氢内燃机领域重要的研究课 题之一。纯氢内燃机中NOx生成量与燃烧室温度、燃烧室高温持续时间以及在燃烧室高温条件下氧气的浓度有关18。图7、图8分别给出了冷起动前 6秒内三元催化器前排气总管中NOx排放随时间的变化规律及6秒内NOx排放平均值随过量空气系数的变化规律。由图7、图8可以看出，在过量空气系数为 0.721.54范围内，随过量空气系数的减小，氢内燃机冷起动前 6秒内NOx 排放平均值先有小幅增加，然后逐渐减小，NOx平均值降低约

25、 84.4%; NOx排放峰值由1322 ppm逐步降低至89 ppm,且在过量空气系数为 1.41时NOx排放最高，这个规律和 文献18,9是较为一致的。过量空气系数对NOx生成的影响可以从以下两个方面分析：(1)当过量空气系数由 1开始减小时，虽然混合气逐渐加浓，燃烧最高温度逐渐升 高，但由于氧气不足，大量的氮气无法与氧气结合；同时，氢燃料燃烧速度逐渐加快，使 得高温燃气滞留在缸内的时间缩短，氧气的减少和高温燃气滞留时间的缩短共同制约了 NOx的生成。其中，当过量空气系数为0.72时，氢内燃机冷起动前 6秒内平均NOx排放仅有59 ppm,这说明浓燃起动可以有效降低纯氢内燃机冷起动过程中的

26、NOx排放。(2)当过量空气系数由 1开始逐渐增大时，混合气变稀，缸内最高燃烧温度开始逐渐降低，火焰发展期和快速燃烧持续期逐渐延长，因而当过量空气系数大于 1.41时，NOx排放开始呈现下降趋势。而在过量空气系数为1.011.41范围内，随过量空气系数增加，NOx排放升高的原因可能是，在此范围内缸内最高燃烧温度仍高于NOx生成的临界温度1800 K18,此时随着过量空气系数的增大，缸内最高温度变化较小，而火焰发展期和快速 燃烧持续期的大幅延长使得高温燃气在缸内滞留时间延长，导致NOx排放有所上升。12001W0g- R00z400200口 12345 6Tt f S图7不同过量空气系数下 NO

27、x排放随时间的变化Fig. 7 NOx emissions versus time at different excess air ratios从图7还可以看出，冷起动阶段，某一过量空气系数下 NOx排放随时间的增加呈现 先升高而后又逐渐降低的趋势。这主要是由于起动时加大了节气门开度，使更多的氢燃料进入气缸，燃烧温度提高，因此 NOx排放在起动初期出现较高值。而当内燃机起动成功 后，OECU又会逐渐降低节气门开度，使氢内燃机逐渐过渡到怠速工况，此时进入缸内的 氢燃料流量逐渐减少，缸内温度降低，因而NOx排放逐渐降低。400200100U L6图8 NOx平均排放随过量空气系数的变化Fig. 8

28、 Average NOx emissions versus excess air ratio文献11的研究结果表明，对于纯氢内燃机，少量蒸发润滑油进入缸内参与燃烧会导致HC和CO的出现。图9、图10及图11分别为不同过量空气系数下，冷起动前6秒内HC、CO排放随时间的变化规律及 6秒内HC、CO排放平均值随过量空气系数的变化规律。X 1.546002 4002(H1001L41>-Z=l .01X 0.720图9不同过量空气系数下 HC排放随时间的变化Fig. 9 HC emissions versus time at different excess air ratios由图9和图11

29、可以看出，随着过量空气系数的减小，冷起动前6秒内HC排放小幅升高。造成这种现象的原因主要是随着过量空气系数的减小，氢内燃机起动转速逐渐升高，使得进气行程缸内压力较低，有利于蒸发润滑油进入缸内；同时，更高的转速意味着单位 时间氢内燃机运行循环数增多，这也使得单位时间进入缸内的蒸发润滑油增多。因此，氢 内燃机起动过程中 HC排放随过量空气系数的减小而逐渐增加。由图10和图11可以看出，与 HC排放相比，随着过量空气系数的减小，CO排放升高较为明显。这主要是因为 CO排放主要来源于少量进入缸内的润滑油不完全燃烧。而稀 混合气条件下，有利于进入缸内的润滑油充分燃烧生成CO2。因此，CO排放随着过量空气

30、系数的减小而显著升高。这说明，虽然浓燃起动策略可以有效降低氢发动机冷起动过程 中NOx的排放，但不可避免的会增加一部分HC及CO的排放。1MX)13同1200K004(»-1=1,21 t-KM->-0.72图10不同过量空气系数下 CO排放随时间的变化Fig. 10 CO emissions versus time at different excess air ratios1200IfKMI 800 -600 -例，0.6图11 HC、CO平均排放随过量空气系数的变化1000Fig. 11 Average HC、CO emissions versus excess air

31、ratio3 结论本文在一台加装了电控氢气喷射系统的 1.6 L 四缸汽油机上，研究了过量空气系数对氢内燃机冷起动阶段燃烧及排放的影响，主要结论如下：( 1)随着过量空气系数的减小，氢内燃机起动首循环的峰值压力先逐渐升高而后又小幅降低。与入 =1.01相比，F1.54和入 =0.72时，氢内燃机冷起动过程中最高缸内压力分别降低约10.04%和 0.37% 。这表明，提高混合气的过量空气系数不利于氢内燃机冷起动，而浓燃对氢内燃机冷起动过程中的峰值缸压影响较小。(2) 当过量空气系数由1.54 减小至 0.72 时， 氢内燃机冷起动过程中峰值转速由 1289r/min 逐渐升高至1649 r/mi

32、n ， 且成功起动时间逐步缩短。 这说明减小过量空气系数有利于提高氢内燃机冷起动阶段的峰值转速并缩短起动时间。( 3)减小过量空气系数后，氢内燃机冷起动过程中火焰发展期和快速燃烧持续期明显缩短。( 4)当过量空气系数由1.54 逐渐减小至0.72 时，冷起动前6 秒内，氢内燃机NOx排放平均值降低约 84.3% ，且 NOx 生成量在过量空气系数为 1.41 左右达到最大； HC 及 CO 排放有所升高。参考文献1 Sastri M V C. Hydrogen energy research and development in India an overviewJ. Internationa

33、l Journal of Hydrogen Energy, 1987, 12(3):137-145.2 周立迎 . 氢能源在汽车行业中的应用及进展J. 移动电源与车辆, 2006, (2):35-39.ZHOU Liying. Application and progress of hydrogen energy in automobile field J. Movable Power Station & Vehicle, 2006, (2): 35-39.3 Das L M. Hydrogen-oxygen reaction mechanism and its implication

34、 to hydrogen engine combustionJ. International Journal of Hydrogen Energy, 1996, 21(8):703-715.4 汪硕峰 , 纪常伟 , 张擘,等 . 稀燃纯氢发动机怠速燃烧与循环变动试验J. 农业机械学报, 2011,(1):12-15.WANG Shuofeng, JI Changwei, ZHANG Bo, et al. Combustion and Cycle-by-cycle Variation of Pure Hydrogen-fueled Spark Ignition Engine at Idle a

35、nd Lean Conditions J.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, (1): 12-15.5 何义团 , 马凡华 , 邓蛟 , 等. 氢内燃机怠速性能试验研究J. 北京工业大学学报, 2012, (10): 1560-1564.HE Yituan, MA Fanhua, DENG Jiao, et al. Idle Characteristics of a Hydrogen Fueled SI Engine J. Journal of Beijing university of t

36、echnology, 2012, (10): 1560-1564.6 Sun D, Liu F. Research on the Performance and Emission of a Port Fuel Injection Hydrogen Internal Combustion EngineC/ International Conference on Digital Manufacturing and Automation. IEEE, 2011:299-302.7 Heffel J W. NOx emission and performance data for a hydrogen

37、 fueled internal combustion engine at using exhaust gas recirculationJ. International Journal of Hydrogen Energy, 2003, 28(8):901-908.8 Duan J, Liu F, Yang Z, et al. Study on the NOx emissions mechanism of an HICE under high loadJ. International Journal of Hydrogen Energy, 2017.9 Safari H, Jazayeri

38、S A, Ebrahimi R. Potentials of NOx emission reduction methods in SI hydrogen engines:Simulation studyJ. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(2):1015-1025.10 Verhelst S, Wallner T. Hydrogen-fueled internal combustion enginesJ. Progress in Energy & Combustion Science, 2009, 35(6):490-527.11 Yu X, Wu H, Du Y, et al. Study on cold start characteristics of dual fuel SI engine wi