不同点火时刻时HCNG发动机的性能与排放特性
admin一、引言
HCNG是将氢气与天然气按一定比例混合而得到的一种代用气体燃料。它综合了氢气燃烧速率快，着火极限宽，是可再生永久性能源的特点，以及天然气体积热值高（较纯氢），储量丰富，排放低等优势而发展起来的新型汽车动力燃料。
1983年Nagalingam等人针对点火提前角和排放关系,首先在AVL单缸机上从纯天然气、80/20、50/50、到纯氢气不同燃料进行了研究。试验结果表明发动机的最大功率较纯甲烷为燃料时下降了23%，主要是由于氢气的体积热值低于甲烷的体积热值。但是由于氢气的燃烧速度很快，使得最佳点火提前角减小[1]。推迟点火提前角所带来的火焰温度下降对降低NOx十分有利[2]。
1990年Yusuf等人使用尼桑公司生产的510型2.0升、四缸发动机研究了体积掺氢比20％的HCNG混合气的当量空燃比和燃烧稀限的关系，得到的结论是最佳循环热效率时HCNG的当量空燃比由纯甲烷燃烧时的1.29升高到1.67[3]。1993年Yusuf等人通过试验表明低负荷时HCNG与纯甲烷相比增加了NOx，降低了未燃HC和CO，并且使天然气的燃烧稀限由1.64的空燃比升高到1.85，燃烧范围扩大了38％，当量空燃比也升高了13%[4]。
1994年Hoekstra等人使用点燃式发动机，对体积混合比为100/0，89/11，80/20，72/28和64/36的HCNG燃料进行研究[5,6]，所得结论为：随着当量燃空比的降低，NOx排放增加，而HC有所下降。他们还发现，当空燃比为1.6时，掺氢比为28%和36%的混合气有相当低的NOx排放。
2000年Sierens和Rosseel等人研究了体积混合比为100/0, 90/10和80/20的HCNG混合气的燃烧排放性[7]。他们认为只有HCNG有较低的掺氢比才能实现低排放性，若有实现超低排放，则必须进行尾气后处理。
2006年黄佐华、汪金华等人在直喷发动机上研究了混合比为95/5，90/10，82/18的HCNG燃料[8]，其结论为点火提前角对HCNG直喷发动机的性能影响极大，当点火提前角增大时HC排放将降低，而NOx排放会升高，CO排放只有一些波动。
二、不同体积掺氢比HCNG燃料的对比试验
试验用发动机为东风EQD210N-20天然气发动机，主要性能参数见表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，空燃比开环控制。
表１EQD210-20主要性能参数
型 号
EQD210N-20
型 式
立式、直列、四冲程
进气方式
增压中冷
气缸数缸径×行程
6×105×120
活塞总排量
6.234L
压缩比
10:1
额定功率/转速
154 kW /2800r/min
最大扭矩/转速
620 Nm/1600r/min
全负荷最低燃油耗
198g/ kW？h
在发动机涡轮增压器排气出口处安装有日本HORIBA公司生产的MEXA- 720NOx空燃比分析仪。该仪器可以显示空燃比、过量空气系数、氧浓度和NOx。
因燃料是气体燃料，不同体积掺氢比HCNG燃料的体积低热值不同等因素，对比试验没有采用传统的相同转速相同负荷试验，而是改为相同转速相同能量输入试验。相同能量输入是指采用不同HCNG燃料时输入发动机的混合气的低热值是相同。采用此试验方法可以使不同的HCNG燃料在发动机缸内具有相同的低热值、相同的过量空气系数，处在相同点火提前角的条件下，这样便于比较发动机的有效效率（动力性）和经济性。
整个对比试验选定了三个发动机转速，即800r/min、1200 r/min、2400 r/min，分别来对比燃料在发动机怠速、低转速和高转速下的性能。在各转速燃料的输入能量是用CNG燃料做为基础燃料确定的。
2.1 怠速条件下（800r/min）的对比试验
具体的工况条件为：转速800r/min，节气门关闭，旁通步进马达为150步（全范围为0～254步），各HCNG燃料的输入能量等于相同工况条件下CNG燃料的输入能量。因怠速条件下原发动机过量空气系数为1.1，采用小于1.1的过量空气系数会使发动机排放较差，而大于1.1的过量空气系数会使发动机不能正常运转，故试验中所有燃料的过量空气系数都保持在1.1。各燃料的性能对比如下：
图1 怠速条件（800r/min）燃料的动力性比较
从图1可知在低点火提前角时各HCNG燃料的修正转矩要比CNG燃料要大，但在较大的点火提前角时，CNG燃料的修正转矩最大。其主要原因是HCNG燃料的燃烧速度较CNG燃料要快，所以采用较低的点火提前角时HCNG燃料的修正转矩要高，但由于怠速时缸内燃烧条件恶劣，不同HCNG燃料的动力性区别不明显。因为是等能量输入，所以从上图中也可是看出HCNG燃料的经济性要优于CNG燃料。
图2 怠速条件（800r/min）甲烷排放率比较
图2给出了不同燃料在不同点火提前角下的甲烷排放率，HCNG燃料明显低于CNG燃料，主要原因是加入的氢气加快了燃烧速度，使燃烧更充分，同时也使HCNG燃料的淬熄距离比CNG燃料要小。在较低或较高点火提前角时CNG燃料MHC排放率极大，主要是CNG燃料在这些点火提前角时燃烧恶化，而HCNG燃料在怠速下受点火提前角的影响较小，这一特性使HCNG燃料在怠速时有较强的低MHC排放优势，因为在怠速时为保持转速稳定性，点火提前角是不断变化的。因为发动机缸内环境的原因，不同掺氢比的HCNG燃料的MHC排放率区别不明显，在较低或较高点火提前角时可以看出掺氢量越大MHC排放率越小。
图3怠速条件（800r/min）CO排放率比较
从图3可以看出在低点火提前角时，掺氢量越大CO排放率越低。主要原因是掺入的氢气优化了燃烧，且在怠速条件下缸内的燃烧温度较低，基本上没有发生CO2被H2还原成CO的反应。
图4怠速条件（800r/min）NOX排放率比较
图4中NOX排放的规律十分明显。在点火提前角θig较大时（为12°CA～23°CA）时HCNG燃料的NOX排放率要高于CNG燃料，HCNG燃料的掺氢量越大NOX排放率越高，主要是因为缸内的燃烧温度的原因。随着点火提前角的推迟缸内的燃烧温度不断降低，HCNG燃料的NOX排放率逐渐降低。推迟点火提前角是降低HCNG燃料NOX排放的一个有效措施。
2.2 非怠速条件下（1200r/min,2400r/min）的对比试验
选取发动机转速分别为1200r/min和2400r/min。确保不同掺氢比的HCNG燃料在发动机每个工作循环时输入低热值等于相同工况条件下CNG燃料的低热值。使用CNG燃料在两个转速确定不同掺氢比HCNG燃料的输入能量时，发动机1200r/min转速对应的进气管绝对压力为100KPa,2400r/min转速对应的进气管绝对压力为80KPa，过量空气系数分别为1.3、1.5。使用不同燃料的性能数据如下：
a)1200r/min b）2400r/min
图5 过量空气系数为1.3时发动机使用不同燃料的动力性比较
a)1200r/min b)2400r/min
图6过量空气系数为1.5时发动机使用不同燃料的动力性比较
从图5、图6可以看出在相同燃料低热值相同过量空气系数条件下HCNG燃料掺氢量越大，MBT（Maximum Brake Torque Timing）点越靠近上止点，最大修正转矩越大，主要原因是掺入的氢气提高了燃料的燃烧速度，提高了发动机的等容度，从而增加了发动机的有效效率。同CNG燃料相比，推迟点火提前角时，HCNG燃料的修正转矩降幅较小，这一特点使HCNG燃料可以通过推迟点火提前角来降低NOX排放。
a)1200r/min b)2400r/min
图7过量空气系数为1.3时发动机使用不同燃料的经济性比较
a)1200r/min b)2400r/min
图8过量空气系数为1.5时发动机使用不同燃料的经济性比较
因为试验时是采用不同燃料相同低热值输入的，所以动力性越好的燃料经济性越好。图7、图8给出了燃料经济性比较情况，在计算HCNG燃料经济性时将氢气的流量用等低热值的方式换算成天然气流量，再加到HCNG燃料中天然气的流量上得出HCNG燃料的总流量的，而不是直接将氢气的流量加上天然气的流量得出HCNG燃料的总流量，这样HCNG燃料就可以同CNG燃料比较经济性了。可以看出HCNG燃料掺氢量越大，经济性越好，经济性最好的点越靠近上止点。上述的试验中40％HCNG经济性最好的点要比同工况下CNG燃料节能5.07％。
a)1200r/min b)2400r/min
图9 过量空气系数为1.3时发动机使用不同燃料的MHC排放比较
a)1200r/min b)2400r/min
图10过量空气系数为1.5时发动机使用不同燃料的MHC排放比较
从图9、图10可知，HCNG燃料的MHC排放率要低于CNG燃料，掺氢量越大，HCNG燃料的MHC排放率越低，HCNG燃料的MHC排放都随点火提前角的推迟而降低。CH4是一种化学稳定性较强的气体，通过后处理不易去除，所以使用HCNG燃料在CH4排放上有较大的优势。
a)1200r/min b)2400r/min
图11过量空气系数为1.3时发动机使用不同燃料的CO排放比较
过量空气系数为1.3时HCNG燃料的CO排放率在较大点火提前角时都要高于CNG燃料，只在高转速低点火提前角时会低于CNG燃料，且掺氢量越大，CO排放率越高。掺入的氢气优化了燃烧，增加了缸内的温度，当温度高于2000K以后，CO2被H2还原成CO，从而增加了CO排放，当温度低于2000K时，这一反应极弱[9]。
a)1200r/min b)2400r/min
图12过量空气系数为1.5时发动机使用不同燃料的CO排放比较
过量空气系数为1.5时HCNG燃料的CO排放率随点火提前角的推迟下降极快，在较低点火提前角时都小于CNG燃料，且掺氢量越大，CO排放率越小。主要原因是较稀的燃烧环境和较低的点火提前角使缸内的温度有所降低，上述的还原反应没有发生或较少发生，在较低的点火提前角时HCNG燃料的动力性又较高，所以CO排放率较低。
a)1200r/min b)2400r/min
图13过量空气系数为1.3时发动机使用不同燃料的NOX排放比较
a)1200r/min b)2400r/min
图14过量空气系数为1.5时发动机使用不同燃料的NOX排放比较
图13、图14给出了各燃料的NOX排放率。NOX排放与缸内温度有很大关系，掺氢量越大，缸内燃烧温度越高，NOX排放越多。在相同的过量空气系数条件下，推迟点火提前角能有效的降低HCNG燃料NOX排放率。为得到较低的NOX排放率，有效的方法是增加稀燃程度的同时推迟点火提前角[10]。
三、结论
从上面等转速等能量输入的试验可以得出以下结论：
3.1.在怠速条件下，发动机燃用HCNG燃料在动力性、经济性和排放三个方面要比CNG燃料有优势，但不同体积掺氢比HCNG燃料（20％～40％）之间区别不明显；
3.2.非怠速条件下，HCNG燃料在动力性、经济性上要优于CNG燃料，且掺氢量越大，MBT点越靠近上止点，动力性、经济性越好；
的MHC排放率明显低于CNG燃料的MHC排放率，掺氢量越大，点火提前角越小，HCNG燃料的MHC排放率越低；
3.4.在非怠速条件下，因为缸内高温造成的还原反应使HCNG燃料的CO排放率要高于CNG燃料，掺氢量越大，CO排放率越高。通过增加稀燃程度和推迟点火提前角来降低缸内温度的方法可以减少HCNG燃料的CO排放，在过量空气为1.5的稀燃条件下，低点火提前角时掺氢量越大，CO排放率越小；
3.5. HCNG燃料的掺氢量越大， NOX排放率越高。HCNG燃料降低NOX排放率的有效方法是增加稀燃程度，推迟点火提前角；
3.6.从经济性和MHC排放角度出发，掺氢量越高越好，但过高的掺氢量会造成CO、NOX排放过大。在稀燃条件下，可以用氧化型催化器大幅度降低CO排放物，但NOX排放物很难消除，所以过高的掺氢比是不可取的。
发布于：2024-12-02，除非注明，否则均为原创文章，转载请注明出处。
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