不同点火提前角时HCNG发动机的燃烧与排放特性

第 29卷 第 4期 2008年 8月 内 燃 机 工 程 Chinese Internal Combustion Engine Engineering Vo1．29 No．4 Aug．2008 文章编号：1000--0925(2008)o4一o23一o5 290061 不同点火提前角时 HCNG发动机的燃烧与排放特性 马凡华 ，王 宇，汪俊君 ，刘海全 ，赵淑莉 (清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室 ，北京 100084) Combustion and Emission Characteristics of a HCNG Engine under Various Spark Timings MA Fan-hua，WANG Yu，WANG JUII-jI111，LIU Hai-quan，ZHAO Shu-li (State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy，Tsinghua University，Beijing 100084，China) Abstract：An experimental study was conducted on a HCNG spark ignition engine to examine the effects of hydrogen blending ratio(0％～50 )and spark timings on the thermal efficiency，heat release rate，cvclic variations and exhaust emissions of the engine． The results show that hydrogen addition can decrease the sDark advanced angle for best torque(MBT)but has no Obvious effects on engine thermal effi～ ciencY when operating at MBT．As the spark advanced angle increases，flame development duration increases while coefficient of variation(CoV) in peak pressure decreases，rapid burn duration and in indicated mean effective pressure(imep)decreases at beginning and then increases．At fixed spark timing，the above four Darameters can simuhaneously be improved by adding hydrogen．NO and CO emissions increase while CH4 emiSSion decreases with the increase of hydrogen blending ratio． 0 概 述 摘要 ：在一 台火花点 火天然气发动机上开展 了在不 同点火提前 角下燃 用不同体积掺 氢 比(0 9／6～50 )的天然气掺氢燃料 (HCNG)的试验研 究 ，进行 热效率、燃烧放 热率、循环 变 动及排放特性 的 。结果 明：与原天然 气发 动机相 比，HCNG发动机 的最大扭 矩点 火 提前 角(MBT)减小，MBT时指 示热效率变化不大 ；点火提 前角增大时，火焰发展期增长 ，最 大压力 变动率减 小，快速燃烧 期和平 均指 示压力 变动 率先减 小后增 大；在相 同点火提 前 角 时，以上 4个参数均随掺氢比的增加而减小。NO 、CO排放浓度随掺 氢比增加而增大 ，CH 排 放 则相 反 。 关键词：内燃机；天然气掺氢；点火提前角；燃烧；排放 Key words：IC engine；hydrogen enriched natural gas；spark advance； combustion；emission 中图分类号 ：TK464 文献标识码 ：A 天然气 掺 氢 燃 料 简称 HCNG (hydrogen en— riched compressed nature gas)，是将氢气与天然气 按一定 比例混合而得到的代用气体燃料 。掺氢之后 的发动机与纯天然气发动机相比，燃烧速度加快，循 环等容度提高。另外由于氢气的着火极限更宽，使 得掺氢发动机可以稳定工作在更稀的情况下，这对 降低 NO 排放及提高热效率均有好处。近年来，国 内外学者对燃用 HCNG的发动机的各种特性进行 收稿日期：2007-11-21 基金项 目：863节能与新能源汽车重大项 目课题 (2006AA11A1B7) 作者简介：马凡华(1966一)，男，副教授，主要研究方向为代用燃料发动机与氢能利用，E—mail：mafh@tsinghtla．edu．cmo 维普资讯 http://www.cqvip.com · 24 · 内 燃 机 工 程 2008年第 4期 了一定研究。文献[1]针对不同掺氢 比混合气的点 火提前角与动力性关系的研究，在 1996年利用掺氢 比为 0 oA～80 的混合气进行试验 ，结果显示 ：当点 火提前角为 10。CA和 20。CA时，输出功率随氢气比 例的增加而增加，但点火提前角为 30。CA时，情况正 好相反。最大输出功率点是在点火提前角为 20。CA 时出现。文献[2]在试验中采用含有 20 氢气体积 比的 HCNG燃料 ，结果 表 明在同一 过量空 气系数 下，燃用 HCNG相对于 CNG发动机效率有所提高， 但 NO 排放增加，最大扭矩点火提前 角(以下简称 MBT)减小。文献[3，4]在直喷式发动机上研究不同 点火时刻下天然气掺氢燃料的燃烧与排放特性，结 果表 明：对于给定的喷射时刻和喷射持续期 ，点火时 刻对发动机性能有较大影响；掺氢可降低 HC排放， 掺氢大于 10 时可降低 NO 排放 ，对 CO和 COz排 放影响不大。本文通过对缸压和排放数据的分析来 研究发动机燃用各种掺氢比例(0 ～50 )的 HC— NG混合气在不同点火提前角下的热效率、燃烧和排 放特性 。 1 试验设备及燃料配置 1．1 试验设备 试验采用东风 EQD210N一20发动机作为研究 机型 ，基本参数见表 1，该发动机采用 DELIPH 公司 ITMS-6F电控单元，采用单点电控喷射，水冷式涡轮 增压中冷 ，分组高能点火系统 ，开环空燃 比控制。 表 1 EQD210N-20天然气发动机基本参数 缸径 ×行程／ram 1O5×12O 总排量／L 6．234 压缩 比 10．5 标定功率／kW 154(2 800 r／rain) 最大扭矩／N·ITI 620(1 600 r／rain) 最低燃气消耗率／g·(kw·h)-1 ≤198 测 功系统为南 峰 CW260-1800／7500电涡流测 功机。排放测量 采用 MRU公 司 生产 的五气 分析 仪，测量 NO 和 cO均采用电化学的方法，精度为 ±20×10一，CH 采用 NDIR(不 分光红外 分析)方 法 ，精度为±0．02 。空燃 比测量是利用 H0RIBA 公司生产 的 MEXA 一720NO 空燃 比分析 仪。缸 内 压力测量系统为 Kistler火花塞式压力传感器 ，以及 配套的电荷放大器和曲轴转角发生器。压力采集的 间隔为 1。CA。 1．2 定掺氢 比混合气配制系统 试验研究都是基于定掺氢 比混合气配制系统。 该系统目标是随着发动机工况变化能及时准确提供 指定掺氢比的混合气。在天然气供气管路中，系统 通过高精度质量 流量计测 得天然气质量流量 ，然后 将测量结果乘以根据目标掺氢比换算的传递函数得 到所需氢气的质量流量，在氢气管路中可通过氢气 质量流量控制计来控制需要的氢气量。由于质量流 量控 制计需要对氢气流量进行反馈控制 ，为获得高 精度的氢气质量计量，在其后系统安装了高精度的 氢气质量流量计，以对控制结果进行校准。该系统 的原理详见文献[5]。实际系统中天然气质量流量 计精度为±0．2 ，对掺氢比的影响并不明显。目标 掺氢比为20 和30 时，抽取稳压罐中混合气进行 光谱测量 ，测量结果分别为 20．38 和 30．68 ，相 对误差分别为 1．9 oA和 2．3 ，可见该方法精度较 高。 2 试验结果及分析 试验使用燃料为纯天然气以及体积掺氢比为 10 ～ 50 的天然气掺氢混合气，发动机转速固定在 1 600 r／min，微调油 门，使进气管绝对压力保持 70 kPa，调节喷油脉宽，使每种混合燃料的过量空气系 数均稳定在 1．2。点火提前角改变步长为 2。CA。 2．1 发动机热效率 图 1给出了指示热效率和点火提前角之间的关 系，由图 1可看出，掺氢比一定时，当点火提前角小 于 MBT时，指示效率随点火提前角的增大而升高， 这是因为燃料燃烧相位合适，使得膨胀冲程燃烧减 少 ，热量利用率提高 ；当点火提前角大于 MBT时 ，指 示热效率随点火提前角的增大而降低，这是由于增 大点火提前角会使压缩负功、传热损失增加 (见 图 2)。 点火提前角／。CA 图 1 指示热效率与点火提前角的关系 图 2为 30 掺氢时不同点火提前角下的压力示 功图，从图 2可看出，随着点火提前角的增加，燃烧 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年第 4期 内 燃 机 工 程 · 25 · 逐渐提前，使得缸内最高压力升高，并靠近上止点； 上止点前的压力曲线也升高，致使压缩负功增大。 西 塔 曲轴转角／。CA 图2 不同点火提前角的示功图 掺氢对发动机热效率的影响，首先由图 1中可 看出 ：掺氢 比越大 ，MBT越 小。这是 由于氢气 的燃 烧速度高于天然气，掺氢比增加使得混合气燃烧速 度增加，因此要适当减小点火提前角以达到最佳效 率 。图 1还显示 出在 比较小 的点火提前角下 ，掺氢 可以较大幅度提高热效率，这也是氢气可提高燃烧 速度的缘故。因为在较小点火提前角的情况下，燃 烧放热将有一部分在温度压力都相对较低膨胀中后 期进行 ，这不利 于热量 的有效利用 。而掺 氢可 以加 速燃烧，使大部分的放热都在膨胀前期上止点附近 完成 ，减少了后燃 ，使更多热量能有效转换 。但如果 对燃用各种燃料发动机在 MBT点处的效率进行比 较 ，可以发现，掺氢并没有 明显提高热效率。这主要 是由于掺氢后燃烧温度升高，致使传热损失增加，由 此带来的对热效率的不利影响与燃烧速度、燃烧等 容度提高带来的有利影响大致抵消。 点火提前角／。CA 图 3 传热损失率与点火提前角的关系 图 3为燃用不同燃料时传热损失率与点火提前 角的关系 。此处的传热损失率是指燃烧过 程中缸 内 气体向壁面传递的总热量与输入的燃料总热量之 比，其中的传热量用 Woschni传热公式_6卅 计算得 到。从图3可看出，随点火提前角的增大，传热损失 率增加，这是由缸内最高压力和温度增加所致。另 外在相同点火提前角时，掺氢会导致传热损失明显 增加。即使在 MBT时，掺氢后传热损失也有所增 加 。 2．2 燃烧放热率 放热率计算采用 R—w 法 。文中定义火焰发 展期和快速燃烧期分别为点火到 10 质量燃烧率和 10 至 90 质量燃烧率所经曲轴转角。图 4、图 5 分别为火焰发展期和快速燃烧期与点火提前角的 关系。 《 ＼ 骚 ＼ 骚 蜇 点火提前角／。CA 图 4 火焰发展期与点火提前角的关系 点火提前角／。CA 图 5 快速燃烧期与点火提前角的关系 从图 4可看 出当掺氢 比不变时 ，随着 点火提前 角的减小，火焰发展期逐渐缩短。这是因为减小点 火提前角意味着推迟混合气的点火时间，这样混合 气在点火前经历了更多的压缩过程，致使点火时其 温度压力都有所升高，有利于火核的形成和传播。 另外从图 4还可看 出在 点火提前角一定时，随掺氢 比的增加 ，火焰发展期逐渐缩短 ，这是 因为氢气 的点 火能量低，掺氢比的增加使得混合气更容易被点燃。 点火提前角对快速燃烧期的影响与其对火焰发 展期的影响有所不同，如图 5所示 ：快速燃烧期随着 维普资讯 http://www.cqvip.com 内 燃 机 工 程 2008年第 4期 点火提前角的减小是先缩短后增长。因为点火提前 角减小一方面使得混合气在更高的温度和压力下点 燃，有利于初期火焰的快速传播；但另一方面也使得 一 部分燃烧推迟到膨胀 冲程 中，而膨胀冲程时缸内 压力和温度相对较小不利于火焰快速传播L1 。正是 由于这两个相反的作用 ，就存在一个使快速燃烧期 最短的点火提前角。另外图 5也显示出掺氢能够明 显降低快速燃烧期 ，并且 当点火 提前 角较小时更为 明显 。这也正是在较小点火提前角时掺氢能显著提 高发动机指示热效率的主要原因。 2．3 循环变动 循环变动是影响火花点火发动机性能的重要因 素，过大的循环变动不仅会导致发动机工作不稳定 ， 车辆操控性和舒适性降低，而且会使其经济性和排 放性变差 。试验分析了不同掺氢比时循环变动与点 火提前角的关系 。主要采用 了两种 常用表征循环变 动的参数 ：平均指示压力变动率 (COV~ 。。)和循环最 大压力变动率 (COV, )。图 6、图 7分别给 出了这 两种变动率与点火提前角的关系。 e ‘CA 图 6 平均指示压力变动率 与点火提 前角的关系 0 ．／CA 图 7 最大压力变动率与点火提前 角的关系 由图 6可 见 ，对 任 一 掺 氢 比 COVi 基 本 在 MBT时达到最小值，点火提前角过大或过小都会使 COV, 增大，但是点火从 MBT推迟要 比从 MBT提 前带来的影响要大。掺氢在较小的点火提前角时能 够有效降低 COV, 另外掺氢越多 COV．, 对点火 提前角的变化就越不敏感 。最 大压力循 环变 动率 ， 如图 7所示，则随着点火提前角的增大而不断减小。 这主要是由于点火提前角增大使得缸内最高压力平 均值增大 ，而 COV, 为最大压力标准差与最大压力 平均值的比值 ，点火提前 角的增大一般会使最大压 力平均值升高比标准差快 ，因此导致 CO 降 低n 。在相 同的点火 提前角下，掺氢 可 以降低 CO 。 以上分析说明，在相同工况下，掺氢可以明显降 低发动机的循环变动，使得发动机工作更加稳定，这 实际上是 HCNG发动机相对 CNG发动机的重要优 势之一。由于燃用 HCNG，发动机工作相对稳定，发 动机怠速转速可适当降低以降低燃油消耗。 2．4 排放特性 图 8为 NO 排放与点火提前角的关系 ，由图 8 可看出 N 排放的浓度随点火提前角的减小而降 低，并且随掺氢比的增加而升高。由于在较稀的情 况下 NO 的产生主要受高温的影响L7]，随点火提前 角的增大和掺氢比的增加，缸内最高温度增加，N 排放浓度也随之增高。 ≥ 重 菩 Z 0 ／。CA 图 8 NO 排放与点火提前角 的关系 图 9为 CH 排放与点火提前角的关 系，由图 9 可看出CH 排放浓度随点火提前角的减小而降低。 这是因为点火提前角的减小降低了缸内压力，使得 缝隙中的未燃混合气密度降低)。另外点火推迟也 使排气温度增高，有利于未燃 CH 在排气过程进一 步氧化。与 NO 不同，CH 排放的浓度随掺氢比的 增加而降低，这是因为氢气掺入降低了淬熄距离，减 少 由于淬熄效应而没有燃烧 的混合气量；缸 内最高 燃烧温度有所增高 ，混合燃料中 CH 的含量随掺氢 的增加而减少 ，最终导致 CH 排放 的降低 。这与文 献[12]中的结果是一致的。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年第 4期 内 燃 机 工 程 ·27 · ≥ 喜 舌 ≥ 喜 U 0／。CA lg 图9 CH 排放与点火提前角的关系 图 1O C0排放 与点火提前 角的关 系 图 1O为 cO排放与掺氢比的关系。cO排放的 浓度随掺氢比的增加而增加，这是因为在高温情况 下 H 和 CO 发生了氧化还原反应l_1 CO2+ H2一 CO+ H2O (1) 反应中 H。的来源一部分是 水蒸气高温离解生 成的 H。，另一部分是燃料 中未完全燃烧 的 H 。随 着掺氢比的增加，缸内温度增高，缸内的 H 量也随 之增加 ，有利于氧化还原反应并生成 CO。另外掺氢 比的增加使燃烧持续期缩短，后燃减少，排气温度降 低 ，从而减少对 CO的氧化。 3 结论 ． (1)对本文 HCNG发动机 ，最佳 点火提前角随 掺氢 比增加而减小 ，在最佳点火提前角时，掺氢 比对 指示热效率影响不大。 (2)对于不同掺氢比的 HCNG燃料(体积掺氢 比为 0 ～5O )，火焰发展期随点火提前角增大而 增长，快速燃烧期随点火提前角增大先缩短后增长； 火焰发展期和快速燃烧期随掺氢比增加而缩短。 (3)随着 点火 提前角的增大 ，平均指示 压力变 动率先减小后增大 ，而最大压力变动率则持续减小 ， 两者均随掺氢比的增加而减小 。 (4)随着点火提前角的减小 ，N 、CH 、cO排 放都降低 。 (5)固定点火提前角和过量空气系数，掺氢比 增加 ，导致 NO 和 CO排放增加 ，CH 排放降低 。 参考文献 ： [1] Karim G A，Wierzba I，A1一Alousi Y．Methane hydrogen mix— tures as fuels[J]．Int J Hydrogen Energy，1996，21(7)：625— 631． [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [1o] Yusuf M J．Lean burn natural gas fuelled engines：engine rood— ification versus hydrogen blending[D]．University of Miami， 1993． 王金华，黄佐华，刘 兵，等．不同点火时刻天然气掺氢缸内直 喷发动机燃烧与排放特性[J]．内燃机学报，2006，24(5)：394～ 4O1 Wang J H ，Huang Z H，Liu B，et a1．Combustion and emission characteristics of a directqnjection engine fueled with natural gas／hydrogen blends under various ignition timings[J]．Trans— actions of CSICE，2006，24(5)：394—40lJ Huang Z H．Wang J H ，Liu B，et a1．Combustion characteris— tics of a direct—injection engine fueled with natural gas—hydrogen blends under different ignition timings_J]．Fuel，2007，86(3)： 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