燃燒方式對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放的影響研究

段俊法，唐建鵬，張宇，魏巍，李權(quán)才

(華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045)

能源緊張、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)成為世界范圍內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)作為汽車的主要?jiǎng)恿?，不僅消耗大量的化石能源，其廢氣排放還是城市大氣污染的主要來源之一，廢氣中的CO2也是造成溫室效應(yīng)的重要因素[1-3]。因此，清潔低碳的內(nèi)燃機(jī)替代燃料成為研究熱點(diǎn)。氫氣以其可再生、無污染、無碳排放等特性受到研究者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是較為理想的內(nèi)燃機(jī)替代燃料[4]。國內(nèi)外一些汽車廠商如寶馬、福特、馬自達(dá)和長安等均已經(jīng)研制出氫燃料內(nèi)燃機(jī)，并穩(wěn)定運(yùn)行。

氫氣具有很高的絕熱燃燒溫度，因而氫發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的NOx排放[5-6]。孫柏剛、Safari、Subramanian等[7-9]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量比大于0.6時(shí)氫內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生高濃度的NOx排放，在當(dāng)量比為0.8左右時(shí)NOx排放達(dá)到最大值。在低負(fù)荷采用稀薄燃燒技術(shù)，在高負(fù)荷采用當(dāng)量燃燒技術(shù)，都會(huì)較好地抑制NOx生成，但會(huì)造成動(dòng)力性下降[10-11]。研究中高負(fù)荷下燃燒方式對(duì)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性和排放的影響，對(duì)于氫燃料內(nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化具有重要意義。

本研究以某進(jìn)氣道噴射氫燃料內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)為原型，建立內(nèi)燃機(jī)三維實(shí)體模型，并耦合較為詳盡的19基元H—O—N反應(yīng)的機(jī)理，得到CFD仿真模型，應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)CFD模型進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，基于仿真對(duì)比稀薄燃燒和當(dāng)量燃燒兩種燃燒方式下氫燃料內(nèi)燃機(jī)的燃燒和排放特性。

1 模型的建立及驗(yàn)證

1.1 氫燃料內(nèi)燃機(jī)

以1臺(tái)4缸四沖程進(jìn)氣道噴射氫燃料內(nèi)燃機(jī)為原型建立三維仿真模型，該內(nèi)燃機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 氫燃料內(nèi)燃機(jī)主要參數(shù)

為減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，忽略各氣缸之間工作的不一致性，建立僅包含進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣門、氣缸、活塞以及火花塞等部件的單缸內(nèi)燃機(jī)三維實(shí)體模型(見圖1)。將STL格式三維模型文件導(dǎo)入Converge Studio中，經(jīng)過對(duì)模型幾何表面檢測和修復(fù)后，把整個(gè)模型分為進(jìn)氣(Region1)、氣缸(Region0)和排氣(Region2)3個(gè)區(qū)域，并定義各區(qū)域邊界類型和邊界條件，生成surface.dat面網(wǎng)格文件。在仿真過程中軟件基于預(yù)設(shè)的網(wǎng)格生成規(guī)則自動(dòng)生成網(wǎng)格。

圖1 氫內(nèi)燃機(jī)實(shí)體模型

計(jì)算網(wǎng)格的尺寸決定了計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間。通過設(shè)定基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸和不同位置和時(shí)刻的網(wǎng)格加密等級(jí)，Converge在計(jì)算過程中可以自動(dòng)生成合適的六面體笛卡爾計(jì)算網(wǎng)格。Converge中基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為5～20 mm，分為5個(gè)加密等級(jí)，加密等級(jí)為n的網(wǎng)格邊長為基礎(chǔ)網(wǎng)格邊長的1/2n。本研究選用的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為8 mm，在進(jìn)排氣道以及氣缸內(nèi)加密等級(jí)為2級(jí)，溫度、速度自適應(yīng)加密等級(jí)為4級(jí)，火花塞附近及火焰前鋒面加密等級(jí)為5級(jí)。經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，設(shè)定的網(wǎng)格尺寸和加密等級(jí)在保證計(jì)算精度的同時(shí)大大縮短了計(jì)算時(shí)間。

1.2 燃燒模型

本研究采用的燃燒模型是耦合了化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的SAGE模型，該模型允許使用Chemkin格式化的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理文件，該文件格式是化學(xué)反應(yīng)機(jī)理文件的標(biāo)準(zhǔn)格式。本研究采用的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是GRI_3.0機(jī)理的H—O—N反應(yīng)子機(jī)理，該機(jī)理包含較為詳細(xì)的氫氧反應(yīng)機(jī)理，熱NO，NNH—NO，N2O—NO等NO生成機(jī)理以及NO2生成路徑機(jī)理，共67步可逆基元反應(yīng)。

耦合了化學(xué)反應(yīng)機(jī)理后燃燒模擬計(jì)算時(shí)間會(huì)大大增加，仿真過程中化學(xué)反應(yīng)機(jī)理啟動(dòng)的條件是氫氧反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)并且燃燒能夠持續(xù)。設(shè)定當(dāng)網(wǎng)格內(nèi)溫度大于氫氣的自燃溫度858 K時(shí)啟動(dòng)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。點(diǎn)火模型采用放電點(diǎn)火，點(diǎn)火經(jīng)歷兩個(gè)過程：第一階段內(nèi)，火花塞電極間產(chǎn)生高壓使電極間的混合氣形成離子通道；第二階段內(nèi)，火花塞電極之間持續(xù)放電產(chǎn)生高溫以保證化學(xué)反應(yīng)機(jī)理能夠啟動(dòng)。

1.3 湍流模型、傳熱模型和仿真參數(shù)

本研究采用的RNGκ-ε高雷諾數(shù)模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，適用于完全湍流的流體運(yùn)動(dòng)模擬，采用的固體和流體相耦合的共軛傳熱模型具有較高的穩(wěn)定性和收斂性。仿真時(shí)，選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，點(diǎn)火提前角在上止點(diǎn)前15°至上止點(diǎn)后2°之間。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定活塞、氣缸壁等初始溫度為500 K，火花塞溫度550 K，火花塞電極溫度600 K。

1.4 模型驗(yàn)證

為保證仿真計(jì)算準(zhǔn)確和可信，應(yīng)用已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比見圖2。圖2 示出轉(zhuǎn)速3 000 r/min，燃空當(dāng)量比分別為0.6，0.8，1.0時(shí)仿真與試驗(yàn)的缸內(nèi)壓力對(duì)比。由圖2可知，仿真得到的缸內(nèi)壓力與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，其中仿真計(jì)算得到的缸內(nèi)燃燒壓力的峰值略高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 缸內(nèi)壓力仿真與試驗(yàn)的對(duì)比

2 仿真結(jié)果與分析

在稀薄燃燒方式下，隨著燃空當(dāng)量比的增加，負(fù)荷率不斷增加；而在當(dāng)量燃燒模式下，隨著EGR率的增加，負(fù)荷率不斷減小。在兩種燃燒模式下，同樣的氫氣體積分?jǐn)?shù)意味著同樣的負(fù)荷率。在中高負(fù)荷下，稀薄燃燒燃空當(dāng)量比0.6，0.7，0.8，0.9分別對(duì)應(yīng)當(dāng)量燃燒EGR率31.9%，23.2%，15%，7.2%。本研究基于仿真對(duì)比研究了發(fā)動(dòng)機(jī)中高負(fù)荷工況時(shí)的燃燒和排放特性。

2.1 缸內(nèi)燃燒特性

OH是氫氧燃燒過程中的重要中間產(chǎn)物， OH濃度及其缸內(nèi)分布反映了缸內(nèi)燃燒過程的發(fā)展和燃燒劇烈程度。圖3示出不同燃燒方式下燃料燃燒50%時(shí)缸內(nèi)OH分布云圖，所有切片距活塞頂5 mm，垂直于氣缸軸線。

由圖3可知，OH主要分布在火焰前鋒面上，隨著燃空當(dāng)量比的增大，火焰前鋒面處OH濃度明顯增大，缸內(nèi)燃燒反應(yīng)更加劇烈，同時(shí)采用當(dāng)量燃燒模式的火焰前鋒面厚度變小，意味著火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?。在較低的負(fù)荷下(當(dāng)量比0.6，0.7，對(duì)應(yīng)EGR率31.9%，23.2%)，稀薄燃燒的OH濃度明顯高于當(dāng)量燃燒，而在較高的負(fù)荷下(當(dāng)量比0.9，對(duì)應(yīng)EGR率7.2%)，兩種燃燒模式的OH最大濃度幾乎相同。

圖3 不同燃燒方式下缸內(nèi)OH分布云圖

圖4示出不同燃燒方式下的缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖4可知，燃空當(dāng)量比為0.9時(shí)，在上止點(diǎn)后9.82°出現(xiàn)缸內(nèi)最大燃燒壓力，為6.92 MPa；而EGR率為7.2%時(shí)，在上止點(diǎn)后11.25°出現(xiàn)缸內(nèi)最大燃燒壓力，為6.63 MPa。燃空當(dāng)量比為0.6時(shí)，在上止點(diǎn)后11.71°缸內(nèi)最大燃燒壓力為5.59 MPa；而EGR率為31.9%時(shí)，在上止點(diǎn)后17.72°缸內(nèi)最大燃燒壓力僅為4.60 MPa。

相同氫氣量的情況下稀薄燃燒比當(dāng)量燃燒具有更高的缸內(nèi)最大燃燒壓力，且當(dāng)量燃燒出現(xiàn)最大燃燒壓力相位滯后于稀薄燃燒。隨氫氣濃度的減小，稀薄燃燒和當(dāng)量燃燒的缸內(nèi)最大燃燒壓力的差值增大，出現(xiàn)最大燃燒壓力的曲軸轉(zhuǎn)角差值也增大。缸內(nèi)最大燃燒壓力的下降直接導(dǎo)致氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)指示功率降低， EGR率增加越多，指示功率下降越嚴(yán)重。

圖5示出不同燃燒方式下的缸內(nèi)平均溫度。由圖5可知，由于引入熱EGR，廢氣具有一定溫度，所以隨EGR率增加，初始溫度提高。燃空當(dāng)量比為0.6時(shí)，在上止點(diǎn)后11.73°出現(xiàn)缸內(nèi)最高平均溫度，為2 330 K；而EGR率為31.9%時(shí)，在上止點(diǎn)后18.16°出現(xiàn)缸內(nèi)最高平均溫度，為2 284 K。當(dāng)量燃燒的缸內(nèi)最高平均溫度略低于稀薄燃燒，同樣當(dāng)量燃燒缸內(nèi)最高平均溫度相位滯后于稀薄燃燒。從圖4和圖5均可看出，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)燃燒的滯燃期和燃燒持續(xù)期變長。

2.2 排放特性

理論上氫內(nèi)燃機(jī)的唯一有害排放物是NOx，主要包括NO，NO2，N2O。圖6示出不同燃燒方式下NO濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖6可知，燃空當(dāng)量比為0.9時(shí)最終NO排放體積分?jǐn)?shù)為5 162×10-6，而EGR率為7.2%的NO體積分?jǐn)?shù)為2 043×10-6。隨著EGR率的增大，廢氣再循環(huán)對(duì)降低NO排放的作用更加明顯。燃空當(dāng)量比為0.6時(shí)，NO排放體積分?jǐn)?shù)為1 550×10-6， 而EGR率為31.9%的NO排放體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)降至88×10-6。

當(dāng)量燃燒可以大幅度降低NO濃度。這主要是因?yàn)閼?yīng)用EGR技術(shù)實(shí)現(xiàn)當(dāng)量燃燒時(shí)，混合氣中的氧氣量減少，在相同氫氣供給量的情況下，氫氣相比氮?dú)饩哂懈叩幕钚?，氧氣?yōu)先與氫氣反應(yīng)，間接抑制了NO的生成。

圖6 不同燃燒方式下NO體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖7示出不同燃燒方式下N2O濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖7可知，稀薄燃燒時(shí)，N2O濃度在快速燃燒期內(nèi)急速上升，之后隨曲軸轉(zhuǎn)角增大緩慢下降，最終N2O濃度減小到1×10-6以下。隨燃空當(dāng)量比的減小，N2O峰值濃度增大，但N2O最大峰值濃度也小于6×10-6。當(dāng)量燃燒時(shí)，在快速燃燒期內(nèi)有少量的N2O生成，EGR率小于23.2%時(shí)，膨脹期內(nèi)N2O濃度出現(xiàn)緩慢上升，隨EGR率的減小，N2O濃度上升更加明顯，但N2O最終濃度低于14×10-6。

圖7 不同燃燒方式下N2O體積分?jǐn)?shù)

圖8示出不同燃燒方式下NO2濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖8可知，稀薄燃燒時(shí)，NO2在快速燃燒期內(nèi)迅速增加，隨后增速變緩，最終NO2體積分?jǐn)?shù)低于60×10-6。當(dāng)量燃燒時(shí)，NO2生成量微乎

圖8 不同燃燒方式下NO2體積分?jǐn)?shù)

其微，其最大體積分?jǐn)?shù)小于4×10-6。由圖7和圖8可知，無論是稀薄燃燒還是當(dāng)量燃燒，NO2和N2O生成都很少，兩者總和小于NOx最終排放的2%。

3 結(jié)論

a) 相同氫氣量下稀薄燃燒比當(dāng)量燃燒更加劇烈，當(dāng)量燃燒缸內(nèi)平均溫度略低于稀薄燃燒，壓力出現(xiàn)明顯下降，隨著EGR率增大，下降趨勢更加明顯，這表明當(dāng)采用較大EGR率會(huì)引起內(nèi)燃機(jī)指示功率明顯下降；

b) 相比于稀薄燃燒，相同氫氣量下當(dāng)量燃燒能夠有效地降低NOx排放；

c) 在高負(fù)荷(燃空當(dāng)量比大于0.8)時(shí)采用當(dāng)量燃燒可以在保證動(dòng)力性的前提下大幅度降低NOx排放；在中等負(fù)荷(燃空當(dāng)量比為0.6～0.8)時(shí)，采用稀薄燃燒可以獲得較好的動(dòng)力性，但會(huì)有較高的NOx排放，采用當(dāng)量燃燒能夠降低NOx排放但會(huì)犧牲內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性；因此在中等負(fù)荷時(shí)可以采用較低的EGR率，在保證一定的動(dòng)力性的前提下有效降低NOx排放。