CN 11-5904/U J Automotive Safety and Energy, Vol. 12 No. 2, 2021
包凌志，孙柏刚，汪 熙
（北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081，中国）
摘要：缸内混合气分布不均匀、燃烧温度高等原因，直喷氢内燃机的氮氧排放水平很高。为探索降
低直喷氢内燃机NO x排放的控制方法，该文基于一台2.0 L自然吸气直喷氢内燃机，通过试验研究了
过量空气系数、转速、点火角和喷氢压力对NO x排放的影响，并通过多参数的耦合调节，控制NO x排放，得到了样机的最大动力性下，未经后处理就实现近零排放（NO x≤20×10-6）工作边界。研究表明：通
过稀燃和推迟点火角，可以在牺牲少量热效率和燃烧稳定性的同时大幅降低NO x排放；近零排放工
作区域的最大功率为21.5 kW，最高热效率为39%，在此区域内的所有工况点都可以实现近零排放。
关键词：直喷氢内燃机；氮氧排放；排放控制；近零排放
中图分类号： TK 463 文献标识码： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2021.02.015
Experimental investigation of nearly zero-emission direct
injection hydrogen engine
BAO Lingzhi, SUN Baigang, WANG Xi
(School of Mechanical Engineering, Beijing institute of Technology, Beijing 128000, China) Abstract: The nitrogen oxides (NO x) emission level of a direct injection hydrogen engine is relatively high due
to the uneven mixture distribution in the cylinder and high combustion temperature. The effect of excessive air
coefficient, speed, ignition angle, and hydrogen injection pressure on NO x emission was investigated to explore
the control method of reducing NO x emission with a 2.0 L naturally aspirated direct-injection hydrogen engine.
Without post-treatment, the working boundary of the maximum power with near-zero-emission (NO x≤20×10-6)
was achieved by the coupling of multiple parameters. The results show that NO x emissions can be significantly
reduced by lean-burning and delaying the ignition angle with making a sacrifice to a small extend in a small
amount of thermal efficiency and combustion stability. The maximum power in the near-zero emission working
area is 21.5 kW and the maximum thermal efficiency is 39%, and near zero emission can be achieved at all
working points in this area.
Key words:d irect injection hydrogen engine; nitrogen and oxygen emission; emission control; near zero
emissions
收稿日期 / Received ：2021-04-17。
第一作者 / First author ：包凌志（1997—），男（汉），安徽，博士研究生。Email：*************。
当前，化石燃料的能源危机和排放法规的日益严苛是内燃机行业所面临的巨大挑战，因此内燃机必须向高效率、低排放，甚至零排放的方向发展[1]。H2燃烧的产物为水，没有碳排放，所以也被认为是一种未来的、清洁的能源载体[2]。
当前氢能的应用主要有2种方式：氢燃料电池和氢燃料内燃机。氢燃料电池具有高效、无噪音的特点，且生成物只为水。对于另1种方式，H2具有宽广的可燃范围、极快的燃烧速度和极低的点火能量，非常适合作为传统内燃机的替代燃料[3]。相比于燃料电池，氢内燃机成本低、工作范围广、可以利用工业废氢。宝马、丰田等开发的氢内燃机汽车进一步证明了氢内燃机具有良好的动力性、经济性和实用性[4]。
氢内燃机的进气组织方式主要分为缸内直喷（direct injection， DI）和缸外进气道喷射（port fuel injection，PFI）[3]2种。PFI 氢内燃机是实现氢能源应用最简洁、经济和可靠的途径[5]。然而采用进气道喷射时，H2与空气在进气道混合时会占用气缸容积，在化学当量比下可以达到30%，导致功率下降，同时易发生回火和早燃的问题[6]。DI氢内燃机则能解决以上问题，有效避免异常燃烧，大幅提升动力性（比汽油机高17%），是当前研究的热点和未来技术发展方向[7]。
由于H2绝热火焰温度高，依据泽尔多维奇机理在燃烧的过程中，氢内燃机会产生NO x排放，随着温度的升高和氧浓度的增加，NO x生成量将呈指数型增长。在直喷氢内燃机中，由于喷射时刻晚，H2与空气的混合时间短，混合气浓度分布不均匀， NO x最高可达8 000 ppm[8]。因此如何控制氮氧排放，使NO x近乎降低为0，是直喷氢内燃机发展亟需解决的问题。
控制NO x排放的方法主要分为缸内净化和缸外处理2种方法。对直喷氢内燃机，通过调整喷射相位、优化喷雾结构、采用多次喷射[9]的方法，可以有效组织缸内混合气分布，避免局部过浓区域的出现。同时，采用喷水[10]或者废气再循环[11]（exhaust gas recirculation，EGR），可以降低缸内燃烧温度，从而降低排放。缸外处理方面，在大负荷工况下，利用传统的三元催化器[12]，或者采用氮氧化物储存还原系统（NO x storage-reduction，NSR），可以达到98%的NO x转化率。
本文基于一台自然吸气的2.0 L直喷氢内燃机，以探索其原排（无后处理）近零排放（NO x≤10×10-6，即20 ppm）特性为目标，重点研究了过量空气系数、转速和点火角对排放的影响，并通过多参数的耦合调节，得到了样机的最大动力性下的零排放工作边界。1 试验方法
宝马c2试验用直喷氢内燃机是基于一台2.0 L自然吸气直列四缸直喷汽油机改造而来，具体参数如表 1所示。改造工作主要包括：对原机缸盖扩孔、安装高压H2喷嘴、搭建高压供氢系统、更换冷型火花塞、设计加工金属进气歧管等。
表1
直喷氢内燃机参数
直喷氢内燃机通常需要在压缩冲程中将H2喷入缸内，因此喷射压力选择为6 ~ 10 MPa，由于H2体驱动方式，文献[13]对流量和喷雾特性开展了定容试验分析。
试验采用的喷嘴是外开轴针式喷嘴，具有90°的轴针锥角和外开式环形喷孔，喷嘴结构示意图如图 1所示。
剖面图
针阀
氢气
图1 喷嘴内部结构示意图
H2从压力为35 MPa高压储氢系统出来后，经过两级减压阀，减压到喷射所需压力。为解决大流量喷嘴工作过程中，供氢压力波动的问题，试验设计了一个容量为250 ml的氢轨，能使压力波动率小于0.3%，整体试验台架布置如图 2所示。
259
包凌志，等：直喷氢内燃机实现NO x 近零排放的试验研究图 2 直喷氢内燃机台架布置
空气流量传感器
节气门喷水装置
进气温度压力
ERG 阀
ECU
同步
氢轨
火花塞
喷嘴
氢内燃机
0.4 MPa
10 MPa
35 MPa
NO x 传感器
催化氢气喷嘴
三元催化器
排温
排温
数据采集
三通阀
减压阀
排气分析仪氢气检测仪
H 2H 2H 2
流量计试验台架上安装有CW250电涡流测功机，可测得输出扭矩和功率。氢内燃机上安装了曲轴转角传感器和Kistler 6118火花塞式缸内压力传感器，并利用Kibox 燃烧分析仪实时输出缸压、放热率等燃烧参数。
试验采用CMF010、CMF025科氏流量计（精度 ± 0.1% FS a ）
和热线式空气流量计（精度± 0.1% FS a ）测量试验H 2和空气流量。采用高精度的排气分析仪Horiba 7110和AVL DiGas 4000分别测量三元催化器前后的NO x 排放。试验采用Motohawk 快速原型控制系统，对发动机的节气门、喷射、点火等进行电子控制。
试验过程中，保证冷却水温度85℃，机油温度95℃。在不同喷射压力下，通过调整喷氢脉宽，调节过量空气系数λ。待发动机在当前工况稳定运转2 min 后，测量并计算200个循环的试验数据平均值。
2 试验结果及分析
2.1 过量空气系数对NO x 排放的影响
试验条件为发动机转速n = 2 000 r/min ，平均有效压力 ( brake mean effective pressure, BMEP ） = 0.3 MPa ，此时发动机的扭矩为48.2 Nm ，功率稳定在10 kW 。喷
氢相位固定在压缩上止点前曲柄转角（CA ）220°，保证H 2-空气的充分预混，喷射压力设定为10 MPa ，过量空气系数λ从1扫略到3.1，催化器前NO x 随浓度的变化如图 3所示。氮氧排放随着过量空气系数增加，先增大到3 800×10-6（即3 800 ppm ）后减少，在λ＞2.5后逐渐趋于零排放。直喷氢内燃机的排放对过量空气系数十分敏感，在λ为1.0 ~ 2.2的区间内，NO x 排放都很高，因此近零排放的控制策略应避开这一区间，选择λ≥ 2.5的稀燃区域。
图3 NO x 排放随过量空气系数变化
43
2
1
1.0
2.0
λ
N O x ĩ103 10 6Ī
3.0
4.0
汽车安全与节能学报260第12卷 第2期 2021年
指示热效率变化如图4所示，随着过量空气系数的增加，均先增加后趋于稳定。这主要因为稀燃后节气门开度增加，泵气损失减少。另一方面，排气温度随浓度降低均匀减少，从当量比时的462 ℃减少至λ = 3.1时的296 ℃。这时传热损失和排气能量损失也相对降低，热效率有所提升，最高指示热效率可以达到40%。
图5显示了50% 燃烧点AI50和燃烧持续期的变化趋势，可以看出AI50在所有工况中均保持在CA = 8°～11°之间，证明此时点火提前角为最佳扭矩点火角（maximum brake torque timing ，MBT ）。燃烧持续期在λ＜ 1.6时，基本稳定在曲柄转角为 20°；当λ = 1.82时，增加至曲柄转角为25°，最后变为曲柄转角为 32°。 这个趋势主要与H 2火焰传播速度有关，稀燃后火焰传播速度减慢，燃烧持续期增加。
缸压曲线的变化如图 6
所示，随着过量空气系数
42403836343230
λ
ηs h o w / %
480440400360320280θe x / ℃
图4 指示热效率（ηshow ）、排气温度（
θex ） 随过量空气系数（λ）
变化
424038
36343230
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
λ
*( （°）图5 50%燃烧点、燃烧持续期随过量空气系数变化43
210 180
120 60
060120180
p i n M P a
*( （°）
321
λ图 6 不同过量空气系数缸压随曲轴转角变化
806040200 20
0204060
*( ĩ°Ī
ηe x [J ·(°)-1 C A D
321
λ图 7 不同过量空气系数瞬时放热率随曲轴转角变化
的减少，节气门开度变小，进气量减少，爆发压力逐渐降低，但最大压力升高率却相对增加。
λ = 1时，缸压曲线呈现火花点火发动机明显的定容燃烧的趋势，此时火焰传播速度快，燃烧放热率高。如图 7所示，在
化学当量比处的瞬时放热率（ηex ）峰值可以达到60 J 每
度曲柄转角（CA ），远高于其他混合气浓度下的放热率，由于燃烧持续期短，化学当量比工况下的点火提前角应接近上止点点火。
2.2 λ = 2.5时的稀燃特性
由前面的结论，在进气量最大的条件下，混合气浓度选定为λ = 2.5，就能在保证发动机动力性的同时实现近零排放。为验证这一结果，稀燃特性试验的喷氢相位为上止点前曲柄转角160°，即进气门关闭时刻，防止进气回流; 此时H 2与空气混合时间短，在高转速工况下，混合气为分层燃烧。保持节气门开度100%，
261
包凌志，等：直喷氢内燃机实现NO x 近零排放的试验研究喷射压力为6 MPa ，进气可变气门正时（variable valve timing ，VVT ）为初始位置，排气VVT 提前曲柄转角60°，调节喷氢脉宽使得过量空气系数稳定在2.5，点火提前角取最佳扭矩点火角 （MBT ），试验结果如图8所示。随着转速增加，功率先增加，在4 500 r/min 时达到28.2 kW 后减少，而扭矩则逐渐下降，扭矩最高为n = 2 000 r/min 时的74.3 Nm 。
平均有效压力（BMEP ）和NO x 排放的变化如图 9所示，随着转速增加，BMEP 从0.46 MPa 下降到0.18 MPa ，而NO x 排放在1 500 ~ 4 000 r/min 都稳定在100×10-6
（即100 ppm ）左右，在4 500 r/min 急剧增长
到793×10-6
（即793 ppm ），并在之后一直保持较高水平。这里主要是因为不合适的进排气VVT 角度造成的，在高转速下进气门关闭时刻过晚，排气开启时刻过早，导致进气量不足，燃烧恶化，排放增加，排气能量增加，热效率下降。
平均指示压力变动系数COV IMEP 是氢发动机用于表示燃烧循环变动最常用的参数，计算公式为：
（1）
W / k W
M / N m n / (103 r·min -1)
图8 稀燃工况下功率扭矩随转速变化曲线
图9 稀燃工况下平均有效压力（BEMP ）和NO x 随转速变化
B M E P / M P a
n / (103
r·min -1)
N O x ĩ103 10 6Ī
其中：σIMEP 是平均指示压力的标准偏差，P IMEP 是平均指示压力的平均值， COV IMEP 一般以3%为界限，低于3% 时发动机平稳工作。
图 10显示了循环变动系数在稀燃工况下的变化曲线。在4 000 r/min 之前，循环变动系数小于3%，发动机工作在稳定状态；随着转速提高，燃烧情况逐渐恶化，导致循环变动系数很高。因此近零排放在保证发动机平稳运转的前提下，主要探索1 500 ~ 4 000 r/min 范围内的工况。
采用稀燃可以大幅降低NO x 排放，当但由于喷氢相位的推迟，混合时间短，在缸内不能形成均质混合气，并会出现局部浓区，这点在高转速工况更加明显，导致λ = 2.5时， NO x 大部分在100×10-6 （即100 ppm ）左右，仍然不能达到近零排放。因此需要对其他参数进行调整，进一步控制排放。
2.3 点火提前角对NO x 排放的影响
控制点火提前角是调整燃烧相位、控制排放的有效手段。试验保持λ = 2.5，节气门全开，喷射相位为上止点前曲柄转角160°，从图11中可以看出，在各个
15
10
5
0C O V I M E P / %
1
2
3
4
5
3%
6
n / (103 r·min -1)
图 10 稀燃工况下平均有效压力变动系数（COV BMEP ）
随转速变化
图11 NO x 排放推迟点火角前后随转速变化
150
100500
30
20
10
n / (103 r·min -1)
N O x / 10 6
ҒC A °
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