论文部分内容阅读
氢气以其优良的物化特性,成为理想的内燃机燃料之一。然而,氢气在燃烧时火焰传播速度快,燃烧温度高等特点导致了氢内燃机在运行时会产生大量的NOx排放。因此,如何降低NOx排放是氢内燃机发展面临的一大问题。针对氢内燃机NOx排放较高的问题。本文以试验的方法研究了不同NOx控制策略对氢内燃机在不同工况下燃烧和排放特性的影响。氢内燃机冷起动试验研究表明:在过量空气系数略小于1时,燃料燃烧速度加快,火焰发展期和快速燃烧持续期缩短,缸压峰值和最大压升率升高,氢内燃机起动成功时间缩短,最高转速增加。此外,由于缸内氧气浓度随着过量空气系数的降低而降低,因此,缸内富氧区域减少,NOx排放明显降低,当过量空气系数由1.4逐渐降低至0.7时,NOx排放峰值由1356ppm显著减少至89ppm,前6s内NOx平均排放降低了约84.3%。同时,在浓燃基础上推迟点火提前角也有助于氢内燃机NOx排放的进一步降低。由于氢气具有良好的还原性,可以配合催化装置降低NOx排放。因此本文在怠速工况下研究了浓燃策略对催化装置NOx转化效率的影响。研究结果表明,当过量空气系数小于1时,催化装置对NOx的转化效率将近100%。这表明,氢内燃机在实际应用中,在过量空气系数略小于1时,配合催化装置可以实现氢内燃机近零排放。由于燃料混合状态会对之后的燃烧过程产生重要影响。因此,本文也研究了不同喷氢策略对氢内燃机部分负荷条件下燃烧和排放特性的影响。研究发现,推迟氢气喷射时刻,缩短氢气与空气在燃烧室内混合时间,会在火花塞附近区域形成较浓的混合气。这导致了缸压和平均指示压力（IMEP）的升高以及火焰发展期和快速燃烧持续期的缩短。同时,由于推迟喷氢时刻会导致缸内平均最高温度(Tmax)先上升后降低,因此,NOx排放会随着喷氢时刻的推迟先上升后下降。此外,与推迟喷氢时刻结果类似,在二次氢气喷射条件下,推迟二次喷氢时刻也会使氢内燃机NOx排放先上升后下降。但是,当二次喷氢时刻晚于60°CA BTDC时,缸内局部过浓的混合气会导致缸压及IMEP的降低。这表明,喷氢策略对氢内燃机性能也有重要影响。对于氢内燃机而言,缸内温度对NOx排放的生成有决定性影响。因此,本文基于内燃机缸内喷水试验台架,研究了缸内喷水策略对氢内燃机性能的影响。研究发现,在相同过量空气系数或点火时刻下,喷水策略可以降低氢内燃机缸压以及最大压升率,同时,由于水的吸热作用会降低缸内温度和压力,火焰发展期和快速燃烧持续期增加。由于水吸热后会增加做功工质数量,因此IMEP和指示热效率（ITE）在喷水策略下均有所提高。而喷水策略也可以显著降低氢内燃机NOx排放。当喷水量由1.95mg/cycle升高至4.50mg/cycle时,NOx排放由1333ppm逐渐减小至617ppm,降低幅度约53.7%。此外,较早的喷水时刻对降低氢内燃机NOx排放有积极作用。与缸内喷水结果类似,当提高进气相对湿度后,由于水蒸气对燃烧室的冷却作用,缸压峰值和最大压升率均会下降。燃料火焰发展期和快速燃烧持续期增加,混合气燃烧过程中单位时间放热量降低。同时,由于加湿后缸内做功工质增加,因此,进气加湿有利于提高IMEP和ITE。此外,进气加湿后氢内燃机NOx排放显著降低,当过量空气系数为1.15,进气相对湿度由40%逐渐升高至74%时,NOx排放由1821ppm显著降低至1000ppm,降低了约45.1%。