分析少量氢气与EGR（废气再循环）结合在化学计量和稀燃条件下对乙醇发动机性能的提升作用

氢气掺混与EGR协同优化乙醇发动机性能及排放研究。通过喷射策略、EGR与氢气掺混协同作用及综合评估，发现5MPa氢气喷射压力和60°CA BTDC时机可优化动力与燃烧稳定性。当λ=1时，氢气掺混（αH2）与EGR率提升可增强扭矩和IMEP，降低燃烧波动（CoV IMEP）。λ=1.2时，15%-20% EGR导致燃烧不稳定，存在10% EGR临界阈值。氢气掺混15%结合EGR 20%-15%分别适用于 stoichiometric 和 lean-burn条件，改善燃烧并降低NOx，但需平衡系统复杂性与排放矛盾。

　　

杜慧丽|王永佳|郭泽洲|朱哲恒|王天琦|李根|傅晓东

吉林大学汽车工程学院，长春130022，中国

摘要

作为可再生燃料的乙醇在全球范围内被广泛用于车辆，而氢气可以有效改善燃烧性能。为了研究少量氢气混合对提高乙醇发动机性能的点火核心作用，本研究首先考察了喷射策略对发动机性能的影响。随后，评估了EGR和αH₂的协同效应。最后进行了全面评估。结果表明，5 MPa的氢气喷射压力和60°CA BTDC的氢气喷射时机在功率输出、燃烧稳定性和经济性方面实现了相对优化的性能。当λ=1时，增加αH₂和EGR比率有利于提高扭矩输出和IMEP。增加αH₂会降低CoV_IMEP，这有利于提高化学计量燃烧的稳定性。当λ=1.2时，αH₂为0%时，在15%和20%的EGR比率下燃烧极其不稳定，扭矩和IMEP显著下降，CoV_IMEP急剧增加，因此存在一个10%的EGR比率临界值。添加氢气有助于实现稳定的点火，补偿稀燃和高EGR比率对燃烧的负面影响。稀燃和EGR比率的综合效应可以改善由于αH₂增加而导致的高NOx排放。在化学计量条件下，15%的氢气混合比例和20%的EGR比率可以提高燃烧质量并减少排放。在稀燃条件下，15%的氢气混合比例与15%的EGR比率组合表现出最佳性能。

引言

碳中和目标的提出和推广正在重塑能源和动力系统的发展路径。全球碳中和的背景以及排放法规的收紧推动了传统内燃机的低碳和零碳转型[1]，[2]。在此背景下，甲醇、乙醇和氢气等碳中性燃料受到了广泛关注[3]，[4]，[5]。在各种替代燃料中，源自生物质的乙醇燃料因其可再生性、成熟的制备过程以及在整个生命周期内有效减少二氧化碳排放的能力而被广泛用于发动机[6]，[7]。

从燃料特性来看，乙醇具有较高的辛烷值，提高了发动机的抗爆性，从而能够使用更高的压缩比来提高热效率[8]。然而，由于其低热值和低能量密度，单独使用乙醇燃料存在热效率有限、燃烧持续时间较长和能耗较高的问题。因此，通常会混合其他燃料来弥补单一乙醇燃料的局限性[9]，[10]，[11]，[12]。先前的研究系统地探讨了由乙醇混合物或乙醇燃料组成的多燃料发动机的各种性能方面。Sumarsono等人[10]将氨燃料与甲醇和乙醇混合，并在一个单缸光学火花点火发动机中实验研究了不同氨醇混合物对燃烧和排放的影响。研究结果表明，甲醇和乙醇燃料的混合可以提高发动机的功率输出，并在一定程度上改善性能，但乙醇混合物中的NOx和总未燃烃（HC）含量相对较高。Li等人[9]研究了乙醇喷射质量比对汽油/乙醇双燃料发动机在低负荷下的综合性能的影响，发现增加乙醇质量比可以在一定程度上提高燃油经济性，并且将乙醇质量比从0%增加到100%可以显著减少NOx排放。与传统汽油相比，混合一定比例的乙醇在减少温室气体排放和其他污染物排放方面具有巨大潜力，同时也具有一定的经济效益[13]。Rosdi等人[14]发现，由于乙醇的热值较低，混合乙醇后发动机的燃油消耗增加。与纯汽油相比，乙醇混合燃料的热效率也降低了。然而，乙醇混合燃料的排放显著改善，氮氧化物排放减少了17.3%。对于单缸四冲程柴油/乙醇双燃料发动机，87.67%的乙醇比例可以保持发动机的最佳性能[15]。Sonawane等人[16]发现，乙醇燃料的高氧含量和增强的火焰传播特性有助于提高燃烧效率。然而，20%的混合比例的热效率低于纯汽油和10%的乙醇混合比例，其制动比油耗也较高。

氢燃料因其可再生、无碳结构、高火焰速度和高能量密度而受到广泛关注[17]。从燃烧和热力学特性的角度来看，氢气具有高的火焰传播速度、宽的燃限和高扩散系数，这使得它在低温/低氧条件下（如稀燃和高EGR）能够保持相对稳定的点火和燃烧过程。在火花点火发动机中，氢气由于高辛烷值、高自燃温度和高火焰速度而具有高热效率[18]。Wan等人的研究表明，在高压缩比条件下，添加氢气可以改善液态甲烷燃料火花点火发动机的燃烧质量，从而提高热效率。然而，过量的氢气添加容易导致燃烧质量下降[19]。García等人[20]指出，在火花点火发动机中使用氢气可以最大限度地提高制动热效率并最小化除NOx以外的排放。氢气的快速火焰传播速度部分补偿了乙醇燃料的缺点，促进了发动机内的有效点火和稳定燃烧。Ayad等人[21]证明，在特定的乙醇火花点火发动机中添加氢气可以实现较低的制动比能耗和减少排放。Tian等人的数值模拟结果显示，在乙醇燃料中添加10%的氢气可以增加制动扭矩，同时减少碳排放和燃油消耗。Zhang等人[23]发现，在稀燃条件下添加氢气有利于提高热效率、增加扭矩输出并减少燃烧循环波动。同时，HC和CO的排放减少，但会导致NOx排放增加。上述研究表明，氢气有助于改善单一乙醇燃料燃烧不足的问题。然而，由于氢燃料的高燃烧速率，混合后的高燃烧温度会导致不可避免的高NOx排放[24]。

稀燃和废气再循环（EGR）技术被广泛认为是提高发动机性能和减少NOx排放的主流技术[25]，[26]。Karag?z等人[27]进行了实验和一维模拟，研究了氢燃料点火发动机的性能，发现极稀燃条件有利于抑制氢燃料发动机的NOx排放。Gu等人[28]发现，在稀燃条件下添加乙醇可以减轻氢燃料发动机的高NOx排放。EGR涉及将废气重新引入燃烧过程，导致燃烧温度、氧含量和气缸内反应分子的变化，这些变化显著影响内燃机的燃烧和排放[29]，[30]。Szwaja等人[31]从热力学分析的角度研究了EGR对氢内燃过程的影响，发现0%到40%的EGR比率主要延长了初始阶段和主燃烧阶段，从而影响气缸内的平均燃烧温度。Novella等人[32]发现，尽管牺牲了一些燃油消耗，使用EGR可以有效减少NOx排放。Yu等人[33]研究了乙醇/汽油混合燃料发动机的性能，发现在λ=1.4的条件下，混合喷射在提高燃烧稳定性方面具有一定的优势。当λ为1.4时，NOx排放相对较低，但HC排放较高。氢气在改善乙醇燃烧的同时带来了额外的问题，因此EGR和稀燃值得作为成熟的低成本发动机排放控制技术进行考虑。为了补充和协作氢混合技术，并进一步探索氢混合乙醇发动机的潜力。

总之，相关学者已经对混合燃料进行了实验和数值模拟[34]，[35]。然而，对于乙醇发动机来说，存在燃烧持续时间较长和热效率有限的问题[36]。氢气的快速火焰传播速度部分补偿了乙醇燃料的缺点，促进了发动机内的有效点火和稳定燃烧，但其燃烧温度较高，尤其是在化学计量条件下NOx排放较高[8]。虽然氢气提高了乙醇燃烧的效率，但由于全球氢气富集导致的系统复杂性和成本增加也值得考虑。少量氢气混合在扩展稀燃边界和减少乙醇发动机失火风险方面的潜力仍不清楚。EGR仍然是减少NOx的有效手段。然而，EGR和少量氢气混合在乙醇发动机中的性能仍不明确，特别是在空燃比变化时。

因此，首先在少量氢气混合条件下研究了氢气喷射策略的影响。其次，选择了最佳的喷射策略组合，进一步研究了氢气混合比例（αH₂）与EGR策略相结合对发动机性能的影响。对包括CA0-10、CA10-90、气缸内压力峰值（Pmax）、扭矩、排放等参数进行了定量分析。最后，结合发动机性能和排放指标，并利用数据可视化方法，在两种过量空气系数条件下进行了全面评估，并提供了EGR和氢气混合比例的最佳运行建议。本研究为乙醇发动机中EGR策略的应用提供了创新见解，并为酒精混合燃料发动机的运行策略开发和优化提供了理论支持。

部分摘录

改进的发动机和测量控制设备

对四缸火花点火发动机进行了独特改造，以满足乙醇/氢气混合喷射的要求，采用了乙醇端口多点喷射和氢气直接喷射的燃料喷射方法。安装了一个额外的氢气喷射系统，包括高压氢气储存罐、减压阀、电磁阀等组件。一方面，为了实现精确的直接喷射氢气压力

氢气喷射策略

对于乙醇发动机来说，直接向气缸内喷射少量氢气以改善燃烧质量是一种创新。显然，HIT和HIP会影响乙醇氢气混合物的形成，进而决定燃烧质量。本节首先对氢气喷射策略进行了单因素实验研究，从气缸压力、燃烧过程参数（阶段）、性能和排放等方面进行了评估。图5(a)

结论

本研究创新性地揭示了少量氢气混合对乙醇发动机性能的全面影响。局部氢气富集策略可以在少量氢气的情况下改善燃烧性能，但也会导致NOx排放增加。EGR有效抑制了排放问题，并有利于进一步改善发动机性能。本研究的创新结论总结如下。

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在氢气

CRediT作者贡献声明

李根：数据整理。王天琦：方法论。傅晓东：形式分析。王永佳：写作——原始草稿，数据整理。杜慧丽：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿。朱哲恒：软件。郭泽洲：资金获取

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号52306139）和吉林省（编号20230101114JC）的科学技术发展计划的支持。