氢能利用率低，采用米勒循环技术能提高内燃机中氢能的利用率吗？
文|李伯陵
编辑 |李伯陵
前言
政府间气候变化专门委员会指出，实现1.5℃的温控目标，有望避免气候变化给人类社会和自然生态系统，造成不可逆转的负面影响。
这需要全球共同努力降低碳排放，在实现碳中和、碳达峰的过程中，开发利用氢能等清洁能源替代传统化石能源非常重要。
目前以电能作为动力的车辆，存在行驶里程短的问题，使用增程器，是解决此问题的有效手段，不过目前增程器市场，主要由汽油机占据，仍有存在不少研究，在围绕氢内燃机及燃料电池展开。
氢内燃机相比其他技术手段，需要在提高热效率、降低氮氧化物（NOₓ）排放两方面，进行更多的探索研究。
不过由于氢气本身辛烷值较高，通过提升氢内燃机压缩比，来达到优化热效率，是常见技术手段；但提升压缩比，会带来爆震及排放升高问题，解决这两个问题的技术手段有很多，其中，废气再循环技术和米勒循环技术，应用比较广泛，对于抑制爆震，减少排放均有明显的效果。
国内外对这两种技术，在汽油机上的应用进行了研究，证实了两种技术对爆震的抑制作用，但是并没有进一步探讨对排放性能的影响。
不过国内外对EGR展开的研究很多，如：材料中对氢内燃机上使用EGR技术，进行了试验研究，结果表明EGR可以降低缸内燃烧压力，从而使燃烧处于爆震区域以外。
对此不少人提出了，对冷却EGR技术结合优化压缩比，以此来提升汽油机的热效率，展开了研究，其中他们明确了冷却EGR技术，对高几何压缩比的内燃机，具有规避爆震的作用，认为试验用的汽油机最佳几何压缩比，处于10~11范围。
于是国内外通过试验，分析了降低氢内燃机NO₂排放的多种手段，指出EGR技术相比延迟点火的方式更有效，且对经济性影响较小。
国内外关于米勒循环提升经济性，降低排放的研究也很多，如：针对应用米勒循环的直喷汽油机，将压缩比提升至12，开始展开性能研究，认为进气门提前关闭相比进气门延后关闭，对于高压缩比下提升经济性更有优势。
不少学者对米勒循环应用于可变压缩比的汽油机，进行了研究，在避免爆震的情况下，少数工况可以将压缩比提升到20，但没有具体分析对排放的影响。
他们利用EIVC，优化增压氢内燃机的性能，在保持NOₓ排放不变的情况下，EIVC可以使氢内燃机具有更好的经济性和动力性，表明了EIVC对排放，也有正面作用。
其中提高压缩比，是提升氢内燃机效率的有效手段，但提高压缩比，往往受到爆震和NO₂排放的制约，总的来看，氢内燃机中应用EGR技术、米勒循环技术，来解决这一矛盾的研究较少。
于是我们在研究中通过仿真分析，对比了两种技术，在氢内燃机内抑制爆震、NOₓ排放的效果，对比分析了冷EGR与热EGR，及EIVC和LIVC的区别，探索了解决氢内燃机中，高压缩比、爆震及排放之间矛盾的技术路线。
于是我们结合了两种技术，探讨了研究用氢内燃机在标定工况下，提高压缩比的可行性，降低NO₂排放的最佳效果。
但是在氢内燃机中，应用EGR技术和米勒循环技术，来同时达到高效率低排放目标的研究较少，于是我们在最后，结合了两种技术，使研究用的氢内燃机在标定工况下，达到了效率和排放的仿真最佳结果，对氢内燃机高效率低排放的技术路线选择，具有积极的指导意义。
我们通过用建模仿真的方式，来进行研究，仿真模型用RicardoWAVE软件搭建，该模型基于一台增程用途，进气道喷射火花点火氢内燃机，其基本参数见表1。
我们为了更符合氢内燃机的实际应用场景，在研究中对氢内燃机，进行了增压匹配的仿真，以Garrett公司的公开数据为参考，匹配了GT2056系列涡轮增压器，在研究中，建立的氢内燃机的模型如图1所示，所使用的压气机的特性曲线图，如图2所示。
其中为3000r/min作为研究转速，并根据转矩输出，选择了最佳转矩输出的工况点，展开了研究，我们设定了目标功率，要求高功率点功率提升30%，为此进行了涡轮增压、内燃机的整机匹配，在此工况点需要使增压压力达到120kPa。
在工况不变的情况下，我们通过不断提高氢内燃机压缩比，利用EGR技术及米勒循环技术，来抑制可能存在的爆震，同时降低NO₂排放，最后对两种技术进行分析对比。
我们为了验证模型的可靠性，利用自然吸气状态的氢内燃机的试验数据，与仿真数据对模型进行了验证。
我们决定采取之前所提到的工况点，进行试验与仿真，将所获得的燃烧压力曲线、放热率曲线进行对比，结果如图3所示。
其中燃烧压力变化仿真，与试验数据最大偏差约为3.4%，放热率最大偏差约2.8%，两组数据达到最大值的位置，偏差均小于3％，整体吻合良好，可以推断仿真数据和实际数据的差距，处于可以接受的范围内。
我们直接提升了初始氢内燃机的压缩比，得到热效率、NOₓ排放的变化情况，如图4所示。
从图4我们可以看出，整体的热效率随着压缩比升高而提高，但是压缩比为15和16时，出现了爆震，此时热效率的变化，与之前的趋势不符，随着压缩比的提高，NO₂排放也逐步提高。
我们为了保持工况相同，分别使用热EGR和冷EGR技术，计算分析内燃机在高压缩比下，抑制爆震和NOₓ排放的情况，将EGR率从0开始以5%为梯度，逐次提升至20%，仿真计算内燃机压缩比为15和16时，性能指标达标。
冷却EGR，我们是在EGR的通路上添加冷却器实现的，在仿真过程中，采用保持冷却器的结构与传热系数不变，仅改变EGR率，使用热EGR、冷EGR在压缩比为15和16下的压力振荡，最大振幅、指示热效率、排放对比见图5。
我们由图5可以看到当EGR率提高时，爆震强度整体呈下降趋势，爆震发生的阈值设定为25kPa。
当冷EGR和热EGR在压缩比为15时，均可以达到避免爆震的效果，但是在压缩比为16时，均无法避免爆震的发生。
冷EGR和热EGR在爆震强度上区别不大，但在EGR率大于5%时，冷EGR爆震强度略低，而EGR率为5%时，冷EGR的爆震强度反而略高，并且在压缩比15下、EGR率为5%时，在冷EGR下仍会出现爆震。
压缩比为15时，随着EGR率的增加，热EGR的热效率逐渐降低，而冷EGR略微升高，在EGR率20%时两者的差值达到了0.2%;
对于NOₓ排放，随EGR率的升高两者都出现了明显的下降，冷EGR产生的NOₓ更少，但差异不明显，在压缩比为15而EGR率为20%时，冷EGR和热EGR分别有2.395g/（kW·h）和2.566g/（kW·h）的NO₂产生。
我们为了分析导致爆震的原因，选取了压缩比15下，采用冷EGR及热EGR时缸内的燃烧压力，未燃区温度随曲轴转角的变化，作为分析数据，如图6所示。
我们由图6可以观察到，随着EGR率的增加，缸内燃烧的最大压力明显下降，热EGR下相比冷EGR，下降更明显，但两者的差异不大。
相比无EGR的工况，热EGR在EGR率为20%的情况下，最大燃烧压力下降了约5.0%，为7.15MPa；而冷EGR情况下则下降了4.1%，为7.22MPa。
我们采用冷EGR及热EGR时，未燃区温度的变化趋势相同，在上止点后有一段下降，之后又快速达到最高温度，最高温度和缸内已燃区温度，会发生重合，代表燃烧已经完成。
在仿真过程中，虽然保持了燃烧重心与持续期等参数不变，但很明显温度快速升高的时刻不同，并且最终达到的最大温度也不同。
随EGR率提高，温度快速上升的时刻向后推迟，最高温度也有所降低，冷EGR相比热EGR效果更好，在EGR率达到20%时，冷EGR使最高温度下降了124.0K，推迟了3.5°曲轴转角达到最高温度；热EGR则下降了94.2K，向后推迟了2.4°曲轴转角。
与热EGR相比，冷EGR会造成缸内燃烧压力略微升高，但可以降低缸内温度，燃烧完成的速度变慢，因此相比热EGR，冷EGR降低NOₓ排放的效果更明显，但对爆震强度的改善不明显。
我们使用仿真对比了LIVC和EIVC对抑制爆震、降低NOₓ排放的效果，LIVC延长了进气门在最高点的时间，升程不变。
而对于EIVC，由于进气门开启的时间缩短，若不改变升程，则会加剧气门及凸轮的磨损，因此我们往往提早关闭进气门时，同步缩小升程，在此次研究中我们也采用了这样的做法，图7是本次研究中进气门升程曲线的示意图。
由于初始内燃机进气门关闭时刻，处于活塞下止点之后，EIVC对进气门关闭角的改变，要更大，其中提前45°曲轴转角的情况，也就是代表着在活塞下止点的位置，关闭进气门，与对EGR进行研究时一样，保持工况不变，仅改变进气门关闭角，进行仿真运算。
压缩比为15和16的情况见图8，内燃机缸内的爆震强度、指示热效率和NO₂排放，随进气门关闭角的变化。
我们从图8中可以看出，所有米勒循环的工况下，压缩比为15时，不会出现爆震，而在压缩比为16时，改变进气门关闭角时，会使爆震强度急剧降低，且在EIVC75、EIVC65、IVC30、LIVC40这4个方案下，不会发生爆震。
相比EGR技术，内燃机的压缩比可以进一步提高到16，指示热效率在压缩比为16、EIVC75时达到最大值，为44.69％。
我们选定压缩比为15，不同IVC下的燃烧压力与未燃区温度的对比见图9，我们从图9可以看出，米勒循环有效降低了燃烧压力水平，对进气门关闭角的任意改变都使压力降低，并且在研究范围内，改变越大，压力下降越多。
对比EIVC和LIVC会发现，我们采用两种方式时，变化趋势比较相似，前者略有优势，压力下降更多，在EIVC75处下降最多，此时最大压力为6.56MPa，相比初始IVC下降了12.9%。
未燃区温度的变化趋势和EGR部分相同，改变进气门关闭角不仅可以降低最大温度，也可以延后温度升高的时刻。
对比LIVC和EIVC，我们采用两种方式趋势类似，但是EIVC略有优势，温度降低得更多，EIVC75下未燃区温度下降最多，最高未燃区温度相比初始内燃机下降了266.0K。总结来看，EIVC相比LIVC在抑制爆震和NO₂排放上有一定的优势。
从避免爆震和降低NO₂排放的结果来看，米勒循环技术可以将压缩比提升到16，大于采用EGR技术时的15，证明其抑制爆震的能力更佳。
而在同样的压缩比下，EGR可以降低NO₂排放至2.395g/（kW·h），小于米勒循环可以达到的2.597g/（kW·h），这也证明了EGR技术对抑制NO₂排放更为有效，其原因可以通过图10进行对比分析。
温度和燃烧压力相关，而NO₂的产生主要和已燃区的温度相关，我们通过图10可以发现米勒循环对未燃区温度和燃烧压力影响相对更明显，因此对爆震抑制更有效。
EGR技术则对已燃区温度影响更大，因此对抑制NO₂排放更有效，两种技术在抑制爆震和NOₓ排放上各有所长，我们决定将两种技术结合进行探索研究。
不过考虑到和冷EGR相比，热EGR对降低NO₂排放更有效，和EIVC相比，LIVC在综合性能上有更好的表现，因此选取了EIVC和冷EGR技术，综合探索可以达到的最高压缩比。
图11（a）中展示了结合应用EIVC和冷EGR技术可以达到的最大压缩比，其中最小的压缩比在左下角，最大的压缩比在右上角。
图11（b）是应用图11（a）中的压缩比，进行仿真计算的NO₂排放，我们将最高排放在左下角，最小值在右上角。
在本研究的工况下，我们同时考虑最大压缩比的提高，将EGR率提升至20%，发现NOₓ排放平均降低约1.14g/（kW·h），从EIVC45提升至EIVC75，NO₂排放平均降低约0.2g/（kW•h）。
我们在探索了最大压缩比之后，有对初始的氢内燃机、单独使用EGR技术和米勒循环技术及结合使用两种技术所能达到的最大压缩比的效率和排放进行对比，结果如图12所示。
（1）相比米勒循环，得益于采用EGR技术时更低的已燃区温度，我们发现其降低NO₂排放的效果更佳，冷EGR相比热EGR降低NOₓ排放的效果更好。
（2）也正是因为米勒循环时更低的燃烧压力、未燃区温度，让我们探索到米勒循环抑制爆震的效果，优于EGR技术，EIVC相比LIVC在燃烧压力和未燃区温度上更有优势。
（3）我们结合EIVC和冷EGR技术，在本次研究的工况下，发现氢内燃机可以将最大压缩比提升至18.4，也正是在此压缩比下，其经济性提高了8.0%，达到44.87%，NO₂排放减少了26.2%，达到1.937g/（kW·h）。