混氢改善汽油机稀燃性能的试验研究

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1、中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：094022混氢改善汽油机稀燃性能的试验研究汪硕峰，纪常伟，张擘，朱永明，张旻玥（北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124）（Tel：13810720250,E-mail:shfwang@emails.bjut.edu.cn）摘要：为提高汽油机的稀燃性能，本文在发动机试验台架上就1%与3%两种进气混氢体积分数对稀燃汽油机燃烧与排放特性的影响进行了研究。试验结果表明，混氢后发动机输出转矩在理论当量比附近随混氢分数的增加而降低，而稀燃时进气混氢有利于提高发动机输出转矩。相同过量空气系数

2、条件下，发动机制动热效率与NOx排放随混氢分数增加而提高。混氢后发动机滞燃期与速燃期缩短，稀燃极限所对应的过量空气系数提高，HC与CO排放降低。关键词：氢气；汽油；稀燃；排放；制动热效率0前言稀薄燃烧是改善发动机热效率与排放水平的有效手段[1]。在稀燃条件下，由于缸内氧浓度较高，燃料燃烧更加彻底从而使发动机热效率提高，CO与HC排放降低。同时，稀燃时缸内燃烧温度较低，所以NOx排放在稀燃条件下也有所降低。然而汽油的燃烧界限较窄，所以在传统进气道喷射的汽油机上采用稀燃方式往往会使得发动机循环变动增加，甚至产生严重的失火现象，导致发动

3、机的热效率与HC排放恶化。相比汽柴燃料，氢气具有较高的稀燃极限，因此氢发动机更适合在稀燃工况运行[2,3]。但由于氢气的体积比能量密度较低而燃烧温度较高，所以纯氢发动机存在功率下降和NOx排放升高的问题[4,5]。相比之下，通过在汽油机进气道内喷入少量氢气则可以利用氢气点火能量低、扩散速度快、燃烧界限宽的特点来改善发动机缸内混合气的燃烧过程[5,6]。同时，氢气的绝热火焰传播速度约为汽油的5倍，所以进气混氢有利于提高缸内燃料的燃烧速度，而提高缸内混合气的火焰传播速度也是改善发动机稀燃性能的一种有效途径[7]。本文在一台加装了进气道

4、电控氢气喷射系统的汽油机上，在发动机1400r/min，进气道绝对压力（MAP）为61.5kPa条件下，就1%与3%两种不同的进气混氢体积分数对汽油机稀燃条件下燃烧与排放特性的影响进行了试验研究。1试验装置和试验方法1.1试验装置试验在北京现代1.6Lb型四缸电控汽油机上进行，该机型主要技术参数如表1所示。为避免当混氢分数较高时出现回火现象，试验时在保持发动机原有供油系统不变的情况下对进气道进行了改造。改造后的进气道在各缸进气岐管靠近发动机进气门的位置处加装了氢气喷嘴，使氢气能够快速地进入到气缸内，从而减少了氢气在进气道回火的可能

5、。通过一套自主开发的电控单元对发动机的喷氢提前角、喷氢脉宽、喷油提前角及喷油脉宽进行实时控制与在线调整。图1所示为本研究所用的混氢发动机试验系统结构图。该试验台架所使用的发动机测控系统为湖南湘仪动力有限公司生产的普联FC2000发动机测控装置。该系统通过GW160型测功机与自带的控制软件可以实现对发动机转速和转矩的控制与测量（转矩测量误差为满量基金项目：北京市自然科学基金（3082004）;北京市教育委员会科研基地建设项目（0050005366901）程的0.4%；转速测量误差1r/min）。进入发动机的汽油流量采用湘仪动力FC2

6、210型智能油耗仪进行测量（测量误差为满量程的0.4%)。采用美国EPI-800型质量空气流量计测量进入发动机的空气流量（测量误差为满量程的1%）。选用七星华创D07-19BM型系列热式气体质量流量计测量进入发动机的氢气流量（测量误差为满量程的1%）。缸压数据采集及燃烧分析系统主要包括瑞士Kistler公司生产的Kistler2613B型曲轴信号传感器（试验中曲轴转角分辨率设为0.2°曲轴转角（CA），测量误差小于0.01oCA）、Kistler6117BFD17型火花塞式缸压传感器（缸压测量非线性度低于0.6%）和Dewetro

7、n燃烧分析仪所组成。火花塞式缸压传感器安装在发动机第四缸上，编码仪加装于曲轴前端，缸压传感器和编码仪分别通过屏蔽电缆与DEWETRON燃烧分析仪连接，利用DEWE-CA燃烧分析软件对发动机连续运行100个循环的缸压和曲轴转角等数据进行采集和处理。发动机的空燃比通过日本堀场株式会社所生产的HoribaMEXA-110λ型空燃比分析与HoribaMB-201型宽域氧传感器进行测量（该系统在空燃比为14.7~30时最大测量误差为±0.1~0.7）。试验过程中根据不同工况下所测得的氢气流量与汽油流量计算进入发动机的燃料中氢、碳原子比，并根

8、据计算结果对该空燃比分析仪进行设置，使该分析仪能够准确的测量混氢后发动机的空燃比。使用HoribaMEXA-7100DEGR型尾气分析仪测量发动机尾气中HC、CO与NOx的排放浓度。该分析仪采用化学可见光法测量NOx浓度；采用不分光红外法测量CO的