過量空氣系數(shù)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)燃燒及排放的影響

1、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文燃燒學(xué)編號(hào)：184236過量空氣系數(shù)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)燃燒及排放的影響紀(jì)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(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081)(Tel: Email: baixiaoxin)摘要：在一臺(tái)1.6 L四缸進(jìn)氣道燃料噴射氫內(nèi)燃機(jī)上，試驗(yàn)研究了過量空氣系數(shù)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)燃燒與排放特性的影響。試驗(yàn)中，將內(nèi)燃機(jī)冷卻水及機(jī)油溫度均控制在24 + 0.50，過量空氣系數(shù)由1.54逐漸減小至0.72。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著過量空氣系數(shù)

2、逐漸減小時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)速峰值逐漸升高，而成功起動(dòng)時(shí)間 逐漸縮短。相同循環(huán)數(shù)下，氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中火焰發(fā)展期和快速燃燒持續(xù)期均隨過量空氣系數(shù)的減小而縮短。冷起動(dòng)前6秒內(nèi)，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(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；燃燒；排放；氫氣；冷起動(dòng)；過量空氣系數(shù)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476002);北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(KM201510005011);北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(KZ201610005005)作者簡(jiǎn)介：紀(jì)常偉(1965),男，教授，主要從事內(nèi)燃機(jī)燃燒、節(jié)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(guī)日趨嚴(yán)格，積極開發(fā)新能源、尋找車用內(nèi)燃機(jī)代用燃料已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域重要的研究課題。在眾多的內(nèi)燃機(jī)代用燃料中，氫氣因具有點(diǎn)火能量低、燃燒界限寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、燃燒產(chǎn)物清潔等優(yōu)良燃燒特性，而被廣泛認(rèn)為是車 用內(nèi)燃機(jī)較為理想的替代燃料之一1-3 O由于氫內(nèi)燃機(jī)具有熱效率高、燃料消耗率低及排放物單一等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)純氫內(nèi)燃機(jī)的燃燒與排放特性均進(jìn)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(fù)荷及高速、大負(fù)荷下氫內(nèi)燃機(jī)的燃燒 與排放研究，對(duì)于冷起動(dòng)工況下氫內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放特性的研究較少。冷起動(dòng)是內(nèi)燃機(jī)的一種典型工況，也是內(nèi)燃機(jī)狀態(tài)最不穩(wěn)定、燃燒最惡劣的工況10.研究冷起動(dòng)過程中氫內(nèi)燃機(jī)的燃燒與排放特性，對(duì)于改善氫內(nèi)燃機(jī)整體性能具有重要的意義。盡管有些學(xué)者對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)已經(jīng)做過一些研究，但這些研究集中在點(diǎn)火角對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)燃燒與排放性能的影響及氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)策略11-14,對(duì)過量空氣系數(shù)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)燃燒與排放特性影響的研究鮮見報(bào)道。因此，本文在一臺(tái)四缸進(jìn)氣道燃料噴射氫內(nèi)燃機(jī)上，通過改變氫氣噴射脈寬， 就不同過量空氣系數(shù)下氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)燃燒與排放特 性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。1

9、試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方案1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)所用原型內(nèi)燃機(jī)為北京現(xiàn)代所生產(chǎn)的Gamma 1.6 L直噴汽油機(jī)，該機(jī)基本參數(shù)見表1。試驗(yàn)前通過加裝一套多點(diǎn)電控氫氣噴射系統(tǒng)將試驗(yàn)用汽油機(jī)改裝為純氫內(nèi)燃機(jī)，其 中氫氣噴嘴與氫氣軌安裝在原機(jī)進(jìn)氣道。采用一套自主設(shè)計(jì)的電子控制單元（NECU）對(duì)該內(nèi)燃機(jī)氫氣噴射脈寬進(jìn)行實(shí)時(shí)在線控制和調(diào)整。表1內(nèi)燃機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications攵數(shù)值缸徑/mm77活塞行程/mm85.44排量/L1.591壓縮比9.5額定轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）/ N m （r/min）265(4500)額定功率（轉(zhuǎn)速）/ kW （r/min）132.4(5500)本試驗(yàn)

10、所用的氫內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。試驗(yàn)中利用湘儀動(dòng)力所生產(chǎn)的GW160型電渦流測(cè)功機(jī)測(cè)量和控制氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速（最大測(cè)量誤差：±1 r/min）及轉(zhuǎn)矩（最大測(cè)量誤差：土 0.4 N m）;使用七星華創(chuàng)生產(chǎn)的D07-1FM熱式流量計(jì)測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)空氣流量（最大測(cè)量誤差：土 0.02 L/min ）;使用七星華創(chuàng)所生產(chǎn)的 D07-60B型熱式流量計(jì)測(cè)量氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量（最大測(cè)量誤差：土2%）;使用 Horiba公司所生產(chǎn)的MEXA-730入空燃比分析儀測(cè)量混合氣過量空氣系數(shù)（最大測(cè)量誤差：±1%）;使用Kistler6117BFD17型火花塞式缸壓傳感器實(shí)時(shí)采集缸壓信號(hào)并

11、控制相應(yīng)的工作缸點(diǎn)火（最大測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)燃燒過程中循環(huán)數(shù)、曲軸轉(zhuǎn)角及缸內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)采集和處理；使用 Horiba MEXA-7100DEGR 實(shí)時(shí)測(cè)量氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中排放物體積分?jǐn)?shù) （最大測(cè)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(nèi)燃

12、機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the hydrogen engine test bench1.氫氣瓶2.氫氣管路開關(guān) 3.氫氣管路減壓閥4.氫氣流量計(jì) 5.阻燃閥6.氫氣噴嘴7.節(jié)氣門8.空氣流量計(jì)9.原機(jī)電子控制單元（OECU） 10.自主開發(fā)電子控制單元（NECU） 11.標(biāo)定計(jì)算機(jī)12.點(diǎn)火模塊13.火 花塞式缸壓傳感器 14.電荷放大器15.A/D轉(zhuǎn)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(yàn)方案試驗(yàn)中，將內(nèi)燃機(jī)冷卻水及機(jī)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(dòng)調(diào)整不同過量空氣系數(shù)條件下的節(jié)氣門開度及點(diǎn)火時(shí)刻，以保 證內(nèi)燃機(jī)在改用純氫模式后仍然能夠成功起動(dòng)并在其目標(biāo)怠速附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；通過NECU逐步調(diào)節(jié)氫氣的噴射脈寬，以研究不同過量空氣系數(shù)下的純氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)燃燒與排放特性。氫氣-空氣混合氣過量空氣系數(shù)（入）可表示為：(1)=mU/(mH2 AFh2)式中，mair、mH2 空氣和氫氣的質(zhì)量流量，kg/h ；AFh2 氫氣的理論空燃比，AFh2=34.3。尾氣分析儀對(duì)純氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng) 得到試驗(yàn)結(jié)果。不同過量空氣 左右。利用KiBox燃燒分析儀及 Horiba MEXA-7100DEGR前50個(gè)連續(xù)循環(huán)缸壓數(shù)據(jù)及前 6秒排放進(jìn)

14、行采集和分析, 系數(shù)下，由起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)的氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速均為200 r/min2試驗(yàn)結(jié)果分析2.1 內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是判斷內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)成功的重要參數(shù)。圖2為不同過量空氣系數(shù)下， 氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)前6秒內(nèi)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線。從圖2可以看出，隨著過量空氣系數(shù)的減小，氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速峰值逐漸提高，而起動(dòng)成功時(shí)間即達(dá)到目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速的時(shí)間呈現(xiàn)逐漸縮短的變化趨勢(shì)。當(dāng)過量空氣系數(shù)由1.54降低至0.72時(shí)，氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中峰值轉(zhuǎn)速由1289 r/min逐漸升高至1649 r/min ,成功起動(dòng)時(shí)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(shù)的減小，混合氣逐漸加濃，使得每循環(huán)有更多的

15、氫氣進(jìn)入缸內(nèi)參與 燃燒，燃料燃燒速度加快15,放熱量增加。因此，氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速峰值隨過量 空氣系數(shù)的減小逐漸升高，而成功起動(dòng)時(shí)間呈現(xiàn)縮短的變化趨勢(shì)。可見，減小過量空氣系 數(shù)有利于提高氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)階段的峰值轉(zhuǎn)速并縮短成功起動(dòng)時(shí)間。圖2還表明，隨著時(shí)間的增加，不同過量空氣系數(shù)下氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速均先迅速升高后逐 漸降低。這主要是因?yàn)镺ECU在冷起動(dòng)時(shí)采用了一個(gè)相對(duì)較大的節(jié)氣門開度，使得更多的混合氣進(jìn)入氣缸參與燃燒，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速迅速升高。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)成功起動(dòng)后，OECU通過減小節(jié)氣門開度使氫內(nèi)燃機(jī)逐漸進(jìn)入怠速工況，因此，4秒后內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低。圖2不同過量空氣系數(shù)下轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化Fig.2

16、Engine speed variations versus time at different excess air ratios2.2 缸內(nèi)壓力缸內(nèi)壓力是反映內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的重要參數(shù)。圖3給出了不同過量空氣系數(shù)下氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)前5個(gè)循環(huán)缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。從圖3可以看出，不同過量空氣系數(shù)條件下，氫內(nèi)燃機(jī)均自首循環(huán)起順利著火起動(dòng)。這主要是由于氫氣具有點(diǎn)火能量低、著 火界限寬等優(yōu)良的物化特性，在不同過量空氣系數(shù)下，氫氣-空氣混合氣均可快速被點(diǎn)燃，從而實(shí)現(xiàn)氫內(nèi)燃機(jī)首循環(huán)有效著火。從圖3還可以看出，不同過量空氣系數(shù)下，缸壓峰值隨循環(huán)數(shù)的增加逐漸降低。造成這種現(xiàn)象的原因主要是OECU需要在

17、冷起動(dòng)時(shí)采用一個(gè)相 對(duì)較大的節(jié)氣門開度，以便使更多的混合氣可以進(jìn)入到缸內(nèi)，保證氫內(nèi)燃機(jī)順利起動(dòng)。而當(dāng)氫內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)成功后，OECU又會(huì)降低節(jié)氣門開度，使內(nèi)燃機(jī)逐漸進(jìn)入怠速工況。由于節(jié)氣門開度的降低會(huì)使進(jìn)入缸內(nèi)的氫氣流量減少，因而缸壓峰值自起動(dòng)首循環(huán)起逐步降低。0 妣 1200)0W軍 M卻第 360a曲岫轉(zhuǎn)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(zhuǎn)ffj t 5cA圖3起動(dòng)前5個(gè)循環(huán)缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)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(nèi)燃機(jī)起動(dòng)首循環(huán)缸壓峰值（Pmax）隨過量空氣系數(shù)的變化曲線。由圖 4可以看出，隨著過量空氣系數(shù)的減小，氫內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)首循環(huán)的峰值壓力先逐漸升高而后又小幅降低。這是因?yàn)樵谶^量空氣系數(shù)為1.011.54范圍內(nèi)，隨著過量空氣系數(shù)的減小，混合氣逐漸加濃，每循環(huán)進(jìn)入缸內(nèi)的氫燃料逐漸增多且燃料燃燒速度加快，導(dǎo)致起動(dòng)首循環(huán)缸壓峰值逐漸升高。而當(dāng)混合氣的過量空氣系數(shù)小于1.01時(shí)，隨著過量空氣系數(shù)的減小，雖然進(jìn)入缸內(nèi)的氫燃料流量仍在逐漸增大，但由于氧含量的不足，缸內(nèi)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(shù)分別為1.54和0.72時(shí)，氫內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)首循環(huán)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(shù)不利于氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)，而濃燃對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)峰值缸壓的影響較小。6$< 5045。衛(wèi) 0,8 LQ 1.21,41.6過量空氣系數(shù)圖4起動(dòng)首循環(huán)Pmax隨過量空氣系數(shù)的變化Fig.4 pmax versus excess air ratio for the first cycle 2.3燃燒過程內(nèi)燃機(jī)的工作性能取決于燃料在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒狀況，而火焰發(fā)展期（E0-10）和快速燃燒持續(xù)期（910-90）是兩個(gè)表

20、征內(nèi)燃機(jī)燃燒狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。內(nèi)燃機(jī)火焰發(fā)展期和快速燃 燒持續(xù)期定義為點(diǎn)火至10% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）燃料燃燒和10% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）至 90% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）燃料燃燒所經(jīng)過的曲軸轉(zhuǎn)角16。由于冷起動(dòng)過程中燃燒不穩(wěn)定，為更加明確反映過量空氣系數(shù)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)燃燒過程的影響，圖 5和圖6分別對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)前50個(gè)循環(huán) 凡10和&0-90的數(shù)據(jù)根據(jù)最小二乘法進(jìn)行了擬合。圖5和圖6表明，相同循環(huán)數(shù)下，氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中a9和址-90均隨過量空氣系數(shù)的減小而縮短。稀燃條件下，這種趨勢(shì)更加明顯。這主要是由于隨著過量空氣系數(shù)的 減小，進(jìn)入缸內(nèi)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(shí)，過

21、量空氣系數(shù)的減小意味著進(jìn)入缸內(nèi)的空氣量逐漸減少，空氣對(duì)燃燒室降溫冷卻作用降低，使得缸內(nèi)溫度得到相對(duì)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(diǎn)燃和快速 燃燒3。此外，由圖3可以看出，相同時(shí)刻下，隨著過量空氣系數(shù)的減小，氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速 逐漸升高。轉(zhuǎn)速增大時(shí)，增強(qiáng)了缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度，使點(diǎn)火時(shí)缸內(nèi)溫度、壓力相應(yīng)提高，導(dǎo) 致火焰發(fā)展期和快速燃燒持續(xù)期逐漸縮短。因此，氫內(nèi)燃機(jī)如0和 址-90隨過量空氣系數(shù)的減小而逐漸縮短?？梢姡m當(dāng)減小混合氣的過量空氣系數(shù)可以有效縮短氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中的火焰發(fā)展期和快速燃燒持續(xù)期，有利于降低內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中的循環(huán)變動(dòng)，提高起動(dòng)的可靠性。圖5不同過量空氣系數(shù)下h

22、i。隨循環(huán)數(shù)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(huán)收?qǐng)D6不同過量空氣系數(shù)下010-90隨循環(huán)數(shù)的變化Fig.6 010-90 versus crank angle for the first 50 cycles at different excess air ratios對(duì)比圖5和圖6還可以看出，在不同過量空氣系數(shù)下，冷起動(dòng)前50個(gè)循環(huán)中，隨著循環(huán)數(shù)

23、的增加，生-10、&0-90均先逐漸延長(zhǎng)然后有所縮短。造成這種現(xiàn)象的原因主要是，冷 起動(dòng)前幾個(gè)循環(huán)需要加大氫氣噴射量以保證內(nèi)燃機(jī)以濃混合氣順利起動(dòng)，較濃的混合氣有利于火焰的發(fā)展和快速傳播，因而 hi。及00-90在初始幾個(gè)循環(huán)均較短。當(dāng)氫內(nèi)燃機(jī)成功 起動(dòng)后，隨著循環(huán)數(shù)的增加，OECU減小節(jié)氣門開度以使內(nèi)燃機(jī)過渡到怠速工況，使得進(jìn)入缸內(nèi)的氫氣能量減少，不利于火核的形成和發(fā)展，因此60-10逐漸延長(zhǎng)；而由于節(jié)氣門開 度的降低減弱了缸內(nèi)湍流強(qiáng)度，同時(shí)進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮充量降低使得殘余廢氣系數(shù)增加，因而 俄一90隨循環(huán)數(shù)的增加而逐漸延長(zhǎng)。隨著循環(huán)數(shù)的繼續(xù)增加，凡10及。10一90出現(xiàn)縮短趨勢(shì)，這主

24、要是因?yàn)楦變?nèi)溫度的逐漸升高，有利于火焰的發(fā)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(nèi)燃機(jī)主要有害排放物，降低 NOx排放是純氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域重要的研究課 題之一。純氫內(nèi)燃機(jī)中NOx生成量與燃燒室溫度、燃燒室高溫持續(xù)時(shí)間以及在燃燒室高溫條件下氧氣的濃度有關(guān)18。圖7、圖8分別給出了冷起動(dòng)前 6秒內(nèi)三元催化器前排氣總管中NOx排放隨時(shí)間的變化規(guī)律及6秒內(nèi)NOx排放平均值隨過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律。由圖7、圖8可以看出，在過量空氣系數(shù)為 0.721.54范圍內(nèi)，隨過量空氣系數(shù)的減小，氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)前 6秒內(nèi)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(shù)為 1.41時(shí)NOx排放最高，這個(gè)規(guī)律和 文獻(xiàn)18,9是較為一致的。過量空氣系數(shù)對(duì)NOx生成的影響可以從以下兩個(gè)方面分析：(1)當(dāng)過量空氣系數(shù)由 1開始減小時(shí)，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?dú)鉄o法與氧氣結(jié)合；同時(shí)，氫燃料燃燒速度逐漸加快，使 得高溫燃?xì)鉁粼诟變?nèi)的時(shí)間縮短，氧氣的減少和高溫燃?xì)鉁魰r(shí)間的縮短共同制約了 NOx的生成。其中，當(dāng)過量空氣系數(shù)為0.72時(shí)，氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)前 6秒內(nèi)平均NOx排放僅有59 ppm,這說明濃燃起動(dòng)可以有效降低純氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中的

26、NOx排放。(2)當(dāng)過量空氣系數(shù)由 1開始逐漸增大時(shí)，混合氣變稀，缸內(nèi)最高燃燒溫度開始逐漸降低，火焰發(fā)展期和快速燃燒持續(xù)期逐漸延長(zhǎng)，因而當(dāng)過量空氣系數(shù)大于 1.41時(shí)，NOx排放開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而在過量空氣系數(shù)為1.011.41范圍內(nèi)，隨過量空氣系數(shù)增加，NOx排放升高的原因可能是，在此范圍內(nèi)缸內(nèi)最高燃燒溫度仍高于NOx生成的臨界溫度1800 K18,此時(shí)隨著過量空氣系數(shù)的增大，缸內(nèi)最高溫度變化較小，而火焰發(fā)展期和快速 燃燒持續(xù)期的大幅延長(zhǎng)使得高溫燃?xì)庠诟變?nèi)滯留時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)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(shù)下 NO

27、x排放隨時(shí)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(dòng)階段，某一過量空氣系數(shù)下 NOx排放隨時(shí)間的增加呈現(xiàn) 先升高而后又逐漸降低的趨勢(shì)。這主要是由于起動(dòng)時(shí)加大了節(jié)氣門開度，使更多的氫燃料進(jìn)入氣缸，燃燒溫度提高，因此 NOx排放在起動(dòng)初期出現(xiàn)較高值。而當(dāng)內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)成功 后，OECU又會(huì)逐漸降低節(jié)氣門開度，使氫內(nèi)燃機(jī)逐漸過渡到怠速工況，此時(shí)進(jìn)入缸內(nèi)的 氫燃料流量逐漸減少，缸內(nèi)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(shù)的變化Fig. 8

28、 Average NOx emissions versus excess air ratio文獻(xiàn)11的研究結(jié)果表明，對(duì)于純氫內(nèi)燃機(jī)，少量蒸發(fā)潤(rùn)滑油進(jìn)入缸內(nèi)參與燃燒會(huì)導(dǎo)致HC和CO的出現(xiàn)。圖9、圖10及圖11分別為不同過量空氣系數(shù)下，冷起動(dòng)前6秒內(nèi)HC、CO排放隨時(shí)間的變化規(guī)律及 6秒內(nèi)HC、CO排放平均值隨過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律。X 1.546002 4002(H1001L41>-Z=l .01X 0.720圖9不同過量空氣系數(shù)下 HC排放隨時(shí)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(shù)的減小，冷起動(dòng)前6秒內(nèi)HC排放小幅升高。造成這種現(xiàn)象的原因主要是隨著過量空氣系數(shù)的減小，氫內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速逐漸升高，使得進(jìn)氣行程缸內(nèi)壓力較低，有利于蒸發(fā)潤(rùn)滑油進(jìn)入缸內(nèi)；同時(shí)，更高的轉(zhuǎn)速意味著單位 時(shí)間氫內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行循環(huán)數(shù)增多，這也使得單位時(shí)間進(jìn)入缸內(nèi)的蒸發(fā)潤(rùn)滑油增多。因此，氫 內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)過程中 HC排放隨過量空氣系數(shù)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(shù)的減小，CO排放升高較為明顯。這主要是因?yàn)?CO排放主要來源于少量進(jìn)入缸內(nèi)的潤(rùn)滑油不完全燃燒。而稀 混合氣條件下，有利于進(jìn)入缸內(nèi)的潤(rùn)滑油充分燃燒生成CO2。因此，CO排放隨著過量空氣

30、系數(shù)的減小而顯著升高。這說明，雖然濃燃起動(dòng)策略可以有效降低氫發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過程 中NOx的排放，但不可避免的會(huì)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(shù)下 CO排放隨時(shí)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(shù)的變化1000Fig. 11 Average HC、CO emissions versus excess air

31、ratio3 結(jié)論本文在一臺(tái)加裝了電控氫氣噴射系統(tǒng)的 1.6 L 四缸汽油機(jī)上，研究了過量空氣系數(shù)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)階段燃燒及排放的影響，主要結(jié)論如下：( 1)隨著過量空氣系數(shù)的減小，氫內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)首循環(huán)的峰值壓力先逐漸升高而后又小幅降低。與入 =1.01相比，F(xiàn)1.54和入 =0.72時(shí)，氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中最高缸內(nèi)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(shù)不利于氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)，而濃燃對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中的峰值缸壓影響較小。(2) 當(dāng)過量空氣系數(shù)由1.54 減小至 0.72 時(shí)， 氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中峰值轉(zhuǎn)速由 1289r/min 逐漸升高至1649 r/mi

32、n ， 且成功起動(dòng)時(shí)間逐步縮短。 這說明減小過量空氣系數(shù)有利于提高氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)階段的峰值轉(zhuǎn)速并縮短起動(dòng)時(shí)間。( 3)減小過量空氣系數(shù)后，氫內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)過程中火焰發(fā)展期和快速燃燒持續(xù)期明顯縮短。( 4)當(dāng)過量空氣系數(shù)由1.54 逐漸減小至0.72 時(shí)，冷起動(dòng)前6 秒內(nèi)，氫內(nèi)燃機(jī)NOx排放平均值降低約 84.3% ，且 NOx 生成量在過量空氣系數(shù)為 1.41 左右達(dá)到最大； HC 及 CO 排放有所升高。參考文獻(xiàn)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 . 氫能源在汽車行業(yè)中的應(yīng)用及進(jìn)展J. 移動(dòng)電源與車輛, 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 汪碩峰 , 紀(jì)常偉 , 張擘,等 . 稀燃純氫發(fā)動(dòng)機(jī)怠速燃燒與循環(huán)變動(dòng)試驗(yàn)J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 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 何義團(tuán) , 馬凡華 , 鄧蛟 , 等. 氫內(nèi)燃機(jī)怠速性能試驗(yàn)研究J. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 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