1、中國工程熱物理學會學術會議論文燃燒學編號：184236過量空氣系數對氫內燃機冷起動燃燒及排放的影響紀常偉1,2白曉鑫1汪碩峰1,2徐溥言1100124; 2.北京(1.北京工業大學環境與能源工程學院區域大氣復合污染防治北京市重點實驗室，北京電動車輛協同創新中心，北京 100081)(Tel: Email: baixiaoxin)摘要：在一臺1.6 L四缸進氣道燃料噴射氫內燃機上，試驗研究了過量空氣系數對氫內燃機冷起動燃燒與排放特性的影響。試驗中，將內燃機冷卻水及機油溫度均控制在24 + 0.50，過量空氣系數由1.54逐漸減小至0.72。試驗結果表明：隨著過量空氣系數

2、逐漸減小時，起動轉速峰值逐漸升高，而成功起動時間 逐漸縮短。相同循環數下，氫內燃機冷起動過程中火焰發展期和快速燃燒持續期均隨過量空氣系數的減小而縮短。冷起動前6秒內，NOx排放顯著下降，NOx平均值降低約84.4%,而HC、CO排放有所升高。 關鍵詞：內燃機；燃燒；排放；氫氣；冷起動；過量空氣系數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基金項目：國家自然科學基金資助項目(51476002);北京市教育委員會科技計劃資助項目(KM201510005011);北京市教育委員會科技計劃重點資助項目(KZ201610005005)作者簡介：紀常偉(1965),男，教授，主要從事內燃機燃燒、節能與排氣凈化方面的研究，E-mail:chwjithe first 6 s reduced by 84.4

7、%.Key words: Engine; Combustion; Emission; Hydrogen; Cold start; Excess air ratio0前言隨著能源的逐年消耗和排放法規日趨嚴格，積極開發新能源、尋找車用內燃機代用燃料已經成為內燃機領域重要的研究課題。在眾多的內燃機代用燃料中，氫氣因具有點火能量低、燃燒界限寬、火焰傳播速度快、燃燒產物清潔等優良燃燒特性，而被廣泛認為是車 用內燃機較為理想的替代燃料之一1-3 O由于氫內燃機具有熱效率高、燃料消耗率低及排放物單一等特點，國內外學者對純氫內燃機的燃燒與排放特性均進行了較為廣泛、深入的研究4-9,然而，上述研究主要集中于怠速

8、、部分負荷及高速、大負荷下氫內燃機的燃燒 與排放研究，對于冷起動工況下氫內燃機燃燒與排放特性的研究較少。冷起動是內燃機的一種典型工況，也是內燃機狀態最不穩定、燃燒最惡劣的工況10.研究冷起動過程中氫內燃機的燃燒與排放特性，對于改善氫內燃機整體性能具有重要的意義。盡管有些學者對氫內燃機冷起動已經做過一些研究，但這些研究集中在點火角對氫內燃機冷起動燃燒與排放性能的影響及氫內燃機冷起動策略11-14,對過量空氣系數對氫內燃機冷起動燃燒與排放特性影響的研究鮮見報道。因此，本文在一臺四缸進氣道燃料噴射氫內燃機上，通過改變氫氣噴射脈寬， 就不同過量空氣系數下氫內燃機冷起動燃燒與排放特 性進行了試驗研究。1

9、試驗系統與試驗方案1.1 試驗系統試驗所用原型內燃機為北京現代所生產的Gamma 1.6 L直噴汽油機，該機基本參數見表1。試驗前通過加裝一套多點電控氫氣噴射系統將試驗用汽油機改裝為純氫內燃機，其 中氫氣噴嘴與氫氣軌安裝在原機進氣道。采用一套自主設計的電子控制單元（NECU）對該內燃機氫氣噴射脈寬進行實時在線控制和調整。表1內燃機主要技術參數Tab.1 Engine specifications攵數值缸徑/mm77活塞行程/mm85.44排量/L1.591壓縮比9.5額定轉矩（轉速）/ N m （r/min）265(4500)額定功率（轉速）/ kW （r/min）132.4(5500)本試驗

10、所用的氫內燃機試驗系統簡圖如圖1所示。試驗中利用湘儀動力所生產的GW160型電渦流測功機測量和控制氫內燃機轉速（最大測量誤差：±1 r/min）及轉矩（最大測量誤差：土 0.4 N m）;使用七星華創生產的D07-1FM熱式流量計測量內燃機空氣流量（最大測量誤差：土 0.02 L/min ）;使用七星華創所生產的 D07-60B型熱式流量計測量氫氣在標準狀態下的體積流量（最大測量誤差：土2%）;使用 Horiba公司所生產的MEXA-730入空燃比分析儀測量混合氣過量空氣系數（最大測量誤差：±1%）;使用Kistler6117BFD17型火花塞式缸壓傳感器實時采集缸壓信號并

11、控制相應的工作缸點火（最大測量誤差：土 0.3 bar）;缸壓傳感器與 Kistler燃燒分析儀 KiBox相連接，使用 KiBox Cockpit 燃燒分析軟件實現對氫內燃機冷起動燃燒過程中循環數、曲軸轉角及缸內壓力的實時采集和處理；使用 Horiba MEXA-7100DEGR 實時測量氫內燃機冷起動過程中排放物體積分數 （最大測量誤差：土 1%）。111016CANNECUs L signal from engine OECU 二sensors(intake air pressure , crankshaft position ,coolant temperature,etc)圖1氫內燃

12、機臺架試驗系統結構圖Fig.1 Schematic diagram of the hydrogen engine test bench1.氫氣瓶2.氫氣管路開關 3.氫氣管路減壓閥4.氫氣流量計 5.阻燃閥6.氫氣噴嘴7.節氣門8.空氣流量計9.原機電子控制單元（OECU） 10.自主開發電子控制單元（NECU） 11.標定計算機12.點火模塊13.火 花塞式缸壓傳感器 14.電荷放大器15.A/D轉換器16.燃燒分析儀17.氧傳感器18.空燃比分析儀19.尾 氣采樣管20.排放分析儀1.2 試驗方案試驗中，將內燃機冷卻水及機油溫度均控制在（24±0.5七）之間，氫氣供給壓力為0.4

13、 MPa。通過OECU自動調整不同過量空氣系數條件下的節氣門開度及點火時刻，以保 證內燃機在改用純氫模式后仍然能夠成功起動并在其目標怠速附近穩定運轉；通過NECU逐步調節氫氣的噴射脈寬，以研究不同過量空氣系數下的純氫內燃機冷起動燃燒與排放特性。氫氣-空氣混合氣過量空氣系數（入）可表示為：(1)=mU/(mH2 AFh2)式中，mair、mH2 空氣和氫氣的質量流量，kg/h ；AFh2 氫氣的理論空燃比，AFh2=34.3。尾氣分析儀對純氫內燃機冷起動 得到試驗結果。不同過量空氣 左右。利用KiBox燃燒分析儀及 Horiba MEXA-7100DEGR前50個連續循環缸壓數據及前 6秒排放進

14、行采集和分析, 系數下，由起動電機拖動的氫內燃機轉速均為200 r/min2試驗結果分析2.1 內燃機轉速轉速是判斷內燃機冷起動成功的重要參數。圖2為不同過量空氣系數下， 氫內燃機冷起動前6秒內轉速隨時間的變化曲線。從圖2可以看出，隨著過量空氣系數的減小，氫內燃機冷起動過程中轉速峰值逐漸提高，而起動成功時間即達到目標怠速轉速的時間呈現逐漸縮短的變化趨勢。當過量空氣系數由1.54降低至0.72時，氫內燃機冷起動過程中峰值轉速由1289 r/min逐漸升高至1649 r/min ,成功起動時間由 2.4 s縮短至1.9 s。這主要是因 為，隨著過量空氣系數的減小，混合氣逐漸加濃，使得每循環有更多的

15、氫氣進入缸內參與 燃燒，燃料燃燒速度加快15,放熱量增加。因此，氫內燃機冷起動過程中轉速峰值隨過量 空氣系數的減小逐漸升高，而成功起動時間呈現縮短的變化趨勢?？梢姡瑴p小過量空氣系 數有利于提高氫內燃機冷起動階段的峰值轉速并縮短成功起動時間。圖2還表明，隨著時間的增加，不同過量空氣系數下氫內燃機轉速均先迅速升高后逐 漸降低。這主要是因為OECU在冷起動時采用了一個相對較大的節氣門開度，使得更多的混合氣進入氣缸參與燃燒，導致內燃機轉速迅速升高。當內燃機成功起動后，OECU通過減小節氣門開度使氫內燃機逐漸進入怠速工況，因此，4秒后內燃機轉速逐漸降低。圖2不同過量空氣系數下轉速隨時間的變化Fig.2

16、Engine speed variations versus time at different excess air ratios2.2 缸內壓力缸內壓力是反映內燃機燃燒過程的重要參數。圖3給出了不同過量空氣系數下氫內燃機冷起動前5個循環缸內壓力隨曲軸轉角的變化曲線。從圖3可以看出，不同過量空氣系數條件下，氫內燃機均自首循環起順利著火起動。這主要是由于氫氣具有點火能量低、著 火界限寬等優良的物化特性，在不同過量空氣系數下，氫氣-空氣混合氣均可快速被點燃，從而實現氫內燃機首循環有效著火。從圖3還可以看出，不同過量空氣系數下，缸壓峰值隨循環數的增加逐漸降低。造成這種現象的原因主要是OECU需要在

17、冷起動時采用一個相 對較大的節氣門開度，以便使更多的混合氣可以進入到缸內，保證氫內燃機順利起動。而當氫內燃機起動成功后，OECU又會降低節氣門開度，使內燃機逐漸進入怠速工況。由于節氣門開度的降低會使進入缸內的氫氣流量減少，因而缸壓峰值自起動首循環起逐步降低。0 妣 1200)0W軍 M卻第 360a曲岫轉曲t TAM)r|60A-1 B&j0 加劇 1200 IKin MQO .loooIt HK) 12U01W0 24WJ3fM曲制M句，A曲輪轉ffj t 5cA圖3起動前5個循環缸內壓力隨曲軸轉角的變化Fig.3 Variations of cylinder pressure wi

18、th crank angle at different excess air ratios圖4給出了氫內燃機起動首循環缸壓峰值（Pmax）隨過量空氣系數的變化曲線。由圖 4可以看出，隨著過量空氣系數的減小，氫內燃機起動首循環的峰值壓力先逐漸升高而后又小幅降低。這是因為在過量空氣系數為1.011.54范圍內，隨著過量空氣系數的減小，混合氣逐漸加濃，每循環進入缸內的氫燃料逐漸增多且燃料燃燒速度加快，導致起動首循環缸壓峰值逐漸升高。而當混合氣的過量空氣系數小于1.01時，隨著過量空氣系數的減小，雖然進入缸內的氫燃料流量仍在逐漸增大，但由于氧含量的不足，缸內燃燒條件惡化，燃 燒不充分，放熱量反而減少，

19、因而缸壓峰值有所降低。圖4還表明，與 F1.01相比，過量空氣系數分別為1.54和0.72時，氫內燃機起動首循環峰值缸壓分別降低約10.04%和0.37%。由此可見，較大的過量空氣系數不利于氫內燃機冷起動，而濃燃對氫內燃機冷起動峰值缸壓的影響較小。6$< 5045。衛 0,8 LQ 1.21,41.6過量空氣系數圖4起動首循環Pmax隨過量空氣系數的變化Fig.4 pmax versus excess air ratio for the first cycle 2.3燃燒過程內燃機的工作性能取決于燃料在內燃機缸內燃燒狀況，而火焰發展期（E0-10）和快速燃燒持續期（910-90）是兩個表

20、征內燃機燃燒狀況的關鍵指標。內燃機火焰發展期和快速燃 燒持續期定義為點火至10% （質量分數）燃料燃燒和10% （質量分數）至 90% （質量分數）燃料燃燒所經過的曲軸轉角16。由于冷起動過程中燃燒不穩定，為更加明確反映過量空氣系數對氫內燃機冷起動燃燒過程的影響，圖 5和圖6分別對氫內燃機冷起動前50個循環 凡10和&0-90的數據根據最小二乘法進行了擬合。圖5和圖6表明，相同循環數下，氫內燃機冷起動過程中a9和址-90均隨過量空氣系數的減小而縮短。稀燃條件下，這種趨勢更加明顯。這主要是由于隨著過量空氣系數的 減小，進入缸內混合氣逐漸加濃，有利于火核的形成和火焰的快速傳播17;同時，過

21、量空氣系數的減小意味著進入缸內的空氣量逐漸減少，空氣對燃燒室降溫冷卻作用降低，使得缸內溫度得到相對提高。而提高燃料在初始階段的溫度使得氫燃料更加容易被點燃和快速 燃燒3。此外，由圖3可以看出，相同時刻下，隨著過量空氣系數的減小，氫內燃機轉速 逐漸升高。轉速增大時，增強了缸內的湍流強度，使點火時缸內溫度、壓力相應提高，導 致火焰發展期和快速燃燒持續期逐漸縮短。因此，氫內燃機如0和 址-90隨過量空氣系數的減小而逐漸縮短?？梢?，適當減小混合氣的過量空氣系數可以有效縮短氫內燃機冷起動過程中的火焰發展期和快速燃燒持續期，有利于降低內燃機冷起動過程中的循環變動，提高起動的可靠性。圖5不同過量空氣系數下h

22、i。隨循環數的變化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循環收圖6不同過量空氣系數下010-90隨循環數的變化Fig.6 010-90 versus crank angle for the first 50 cycles at different excess air ratios對比圖5和圖6還可以看出，在不同過量空氣系數下，冷起動前50個循環中，隨著循環數

23、的增加，生-10、&0-90均先逐漸延長然后有所縮短。造成這種現象的原因主要是，冷 起動前幾個循環需要加大氫氣噴射量以保證內燃機以濃混合氣順利起動，較濃的混合氣有利于火焰的發展和快速傳播，因而 hi。及00-90在初始幾個循環均較短。當氫內燃機成功 起動后，隨著循環數的增加，OECU減小節氣門開度以使內燃機過渡到怠速工況，使得進入缸內的氫氣能量減少，不利于火核的形成和發展，因此60-10逐漸延長；而由于節氣門開 度的降低減弱了缸內湍流強度，同時進入缸內的新鮮充量降低使得殘余廢氣系數增加，因而 俄一90隨循環數的增加而逐漸延長。隨著循環數的繼續增加，凡10及。10一90出現縮短趨勢，這主

24、要是因為缸內溫度的逐漸升高，有利于火焰的發展和快速傳播，這使得生-10、010-90 有所縮短。2.5排放NOx是純氫內燃機主要有害排放物，降低 NOx排放是純氫內燃機領域重要的研究課 題之一。純氫內燃機中NOx生成量與燃燒室溫度、燃燒室高溫持續時間以及在燃燒室高溫條件下氧氣的濃度有關18。圖7、圖8分別給出了冷起動前 6秒內三元催化器前排氣總管中NOx排放隨時間的變化規律及6秒內NOx排放平均值隨過量空氣系數的變化規律。由圖7、圖8可以看出，在過量空氣系數為 0.721.54范圍內，隨過量空氣系數的減小，氫內燃機冷起動前 6秒內NOx 排放平均值先有小幅增加，然后逐漸減小，NOx平均值降低約

25、 84.4%; NOx排放峰值由1322 ppm逐步降低至89 ppm,且在過量空氣系數為 1.41時NOx排放最高，這個規律和 文獻18,9是較為一致的。過量空氣系數對NOx生成的影響可以從以下兩個方面分析：(1)當過量空氣系數由 1開始減小時，雖然混合氣逐漸加濃，燃燒最高溫度逐漸升 高，但由于氧氣不足，大量的氮氣無法與氧氣結合；同時，氫燃料燃燒速度逐漸加快，使 得高溫燃氣滯留在缸內的時間縮短，氧氣的減少和高溫燃氣滯留時間的縮短共同制約了 NOx的生成。其中，當過量空氣系數為0.72時，氫內燃機冷起動前 6秒內平均NOx排放僅有59 ppm,這說明濃燃起動可以有效降低純氫內燃機冷起動過程中的

26、NOx排放。(2)當過量空氣系數由 1開始逐漸增大時，混合氣變稀，缸內最高燃燒溫度開始逐漸降低，火焰發展期和快速燃燒持續期逐漸延長，因而當過量空氣系數大于 1.41時，NOx排放開始呈現下降趨勢。而在過量空氣系數為1.011.41范圍內，隨過量空氣系數增加，NOx排放升高的原因可能是，在此范圍內缸內最高燃燒溫度仍高于NOx生成的臨界溫度1800 K18,此時隨著過量空氣系數的增大，缸內最高溫度變化較小，而火焰發展期和快速 燃燒持續期的大幅延長使得高溫燃氣在缸內滯留時間延長，導致NOx排放有所上升。12001W0g- R00z400200口 12345 6Tt f S圖7不同過量空氣系數下 NO

27、x排放隨時間的變化Fig. 7 NOx emissions versus time at different excess air ratios從圖7還可以看出，冷起動階段，某一過量空氣系數下 NOx排放隨時間的增加呈現 先升高而后又逐漸降低的趨勢。這主要是由于起動時加大了節氣門開度，使更多的氫燃料進入氣缸，燃燒溫度提高，因此 NOx排放在起動初期出現較高值。而當內燃機起動成功 后，OECU又會逐漸降低節氣門開度，使氫內燃機逐漸過渡到怠速工況，此時進入缸內的 氫燃料流量逐漸減少，缸內溫度降低，因而NOx排放逐漸降低。400200100U L6圖8 NOx平均排放隨過量空氣系數的變化Fig. 8

28、 Average NOx emissions versus excess air ratio文獻11的研究結果表明，對于純氫內燃機，少量蒸發潤滑油進入缸內參與燃燒會導致HC和CO的出現。圖9、圖10及圖11分別為不同過量空氣系數下，冷起動前6秒內HC、CO排放隨時間的變化規律及 6秒內HC、CO排放平均值隨過量空氣系數的變化規律。X 1.546002 4002(H1001L41>-Z=l .01X 0.720圖9不同過量空氣系數下 HC排放隨時間的變化Fig. 9 HC emissions versus time at different excess air ratios由圖9和圖11

29、可以看出，隨著過量空氣系數的減小，冷起動前6秒內HC排放小幅升高。造成這種現象的原因主要是隨著過量空氣系數的減小，氫內燃機起動轉速逐漸升高，使得進氣行程缸內壓力較低，有利于蒸發潤滑油進入缸內；同時，更高的轉速意味著單位 時間氫內燃機運行循環數增多，這也使得單位時間進入缸內的蒸發潤滑油增多。因此，氫 內燃機起動過程中 HC排放隨過量空氣系數的減小而逐漸增加。由圖10和圖11可以看出，與 HC排放相比，隨著過量空氣系數的減小，CO排放升高較為明顯。這主要是因為 CO排放主要來源于少量進入缸內的潤滑油不完全燃燒。而稀 混合氣條件下，有利于進入缸內的潤滑油充分燃燒生成CO2。因此，CO排放隨著過量空氣

30、系數的減小而顯著升高。這說明，雖然濃燃起動策略可以有效降低氫發動機冷起動過程 中NOx的排放，但不可避免的會增加一部分HC及CO的排放。1MX)13同1200K004(»-1=1,21 t-KM->-0.72圖10不同過量空氣系數下 CO排放隨時間的變化Fig. 10 CO emissions versus time at different excess air ratios1200IfKMI 800 -600 -例，0.6圖11 HC、CO平均排放隨過量空氣系數的變化1000Fig. 11 Average HC、CO emissions versus excess air

31、ratio3 結論本文在一臺加裝了電控氫氣噴射系統的 1.6 L 四缸汽油機上，研究了過量空氣系數對氫內燃機冷起動階段燃燒及排放的影響，主要結論如下：( 1)隨著過量空氣系數的減小，氫內燃機起動首循環的峰值壓力先逐漸升高而后又小幅降低。與入 =1.01相比，F1.54和入 =0.72時，氫內燃機冷起動過程中最高缸內壓力分別降低約10.04%和 0.37% 。這表明，提高混合氣的過量空氣系數不利于氫內燃機冷起動，而濃燃對氫內燃機冷起動過程中的峰值缸壓影響較小。(2) 當過量空氣系數由1.54 減小至 0.72 時， 氫內燃機冷起動過程中峰值轉速由 1289r/min 逐漸升高至1649 r/mi

32、n ， 且成功起動時間逐步縮短。 這說明減小過量空氣系數有利于提高氫內燃機冷起動階段的峰值轉速并縮短起動時間。( 3)減小過量空氣系數后，氫內燃機冷起動過程中火焰發展期和快速燃燒持續期明顯縮短。( 4)當過量空氣系數由1.54 逐漸減小至0.72 時，冷起動前6 秒內，氫內燃機NOx排放平均值降低約 84.3% ，且 NOx 生成量在過量空氣系數為 1.41 左右達到最大； HC 及 CO 排放有所升高。參考文獻1 Sastri M V C. Hydrogen energy research and development in India an overviewJ. Internationa

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