基于較詳細(xì)機(jī)理的氫燃料內(nèi)燃機(jī)排放特性研究

段俊法，張宇,秦高林,吳排霞,何一鳴

(1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院,河南 鄭州 450045; 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

氫燃料內(nèi)燃機(jī)由于具有燃燒效率高且沒有含碳排放的特點(diǎn)，得到了廠商和研究者的關(guān)注[1-2]。寶馬、福特、長安等汽車公司研發(fā)了實(shí)用化的氫燃料內(nèi)燃機(jī)汽車，經(jīng)過數(shù)百萬公里的示范運(yùn)行，結(jié)果顯示氫燃料內(nèi)燃機(jī)具有很高的效率和動力性[3-5]。但氫燃料內(nèi)燃機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生高濃度的NOx，需要探究其機(jī)理進(jìn)而抑制NOx的生成[6-8]。

先前的研究發(fā)現(xiàn)，燃空當(dāng)量比決定了NOx排放濃度，Verhest、馬凡華、孫大偉等的試驗(yàn)研究均表明，在燃空當(dāng)量比 0.55～1.0區(qū)間時(shí)氫燃料內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生了很高濃度的NOx[9-11]。Verhest等發(fā)現(xiàn)采用廢氣再循環(huán)技術(shù)可以抑制NOx排放[12-13]。研究人員基于PFI氫燃料內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、EGR率都會影響NOx排放總量[14-16]，但這些宏觀的試驗(yàn)結(jié)果難以揭示NOx生成機(jī)理。

關(guān)于氫燃料內(nèi)燃機(jī)排放機(jī)理的研究和成果并不多見。Das采用總包機(jī)理和準(zhǔn)維燃燒模型預(yù)測氫燃料內(nèi)燃機(jī)NO生成[17]，Benkenida等采用CFD模型耦合總包機(jī)理預(yù)測氫燃料內(nèi)燃機(jī)排放[18]，而這些研究采用僅包含3步反應(yīng)的總包機(jī)理，結(jié)果不夠準(zhǔn)確。本研究采用較為詳細(xì)的NOx化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究氫燃料內(nèi)燃機(jī)的燃燒和排放。

1 方法和模型

基于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理耦合三維計(jì)算網(wǎng)格建立的CFD仿真模型分析氫燃料內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程以及排放生成機(jī)理。

1.1 三維網(wǎng)格

基于1臺4缸PFI氫燃料內(nèi)燃機(jī)建立三維實(shí)體模型。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)

為了簡化計(jì)算，建模時(shí)忽略各缸進(jìn)氣的不一致性，建立了僅包含單個氣缸、進(jìn)排氣道、氣門、氫氣噴閥的三維實(shí)體模型(見圖1)。

三維實(shí)體模型以STL 文件格式導(dǎo)入CFD仿真軟件Converge，對模型進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)定氣缸、活塞、進(jìn)氣道部件等作為不同類型的邊界，依據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定溫度等初始條件，根據(jù)不同的邊界設(shè)置區(qū)域，在不同區(qū)域內(nèi)分別設(shè)置基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸和加密規(guī)則，在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，軟件將在各區(qū)域生成密度不同的計(jì)算網(wǎng)格。

圖1 氫燃料內(nèi)燃機(jī)三維實(shí)體模型

Converge軟件采用笛卡爾網(wǎng)格(沿著坐標(biāo)方向的正方體網(wǎng)格)。設(shè)定基礎(chǔ)網(wǎng)格的邊長后，可以在不同位置和時(shí)刻設(shè)定加密等級，從而控制網(wǎng)格的大小。加密等級為n的網(wǎng)格邊長是基礎(chǔ)網(wǎng)格邊長的1/2n。

本研究設(shè)定的基礎(chǔ)網(wǎng)格邊長為8 mm。氣缸內(nèi)部、邊界、氣門區(qū)域和點(diǎn)火區(qū)域分別加密。在點(diǎn)火和火焰前鋒面位置的加密等級達(dá)到5級，網(wǎng)格邊長0.25 mm，計(jì)算時(shí)網(wǎng)格總數(shù)超過48萬，能夠達(dá)到很高的精度。

1.2 反應(yīng)機(jī)理

先前的研究表明，采用上述較為詳細(xì)的燃燒排放機(jī)理可以獲得較高的NO預(yù)測精度。

設(shè)定反應(yīng)機(jī)理文件啟動的條件是網(wǎng)格內(nèi)溫度超過設(shè)定溫度(本研究設(shè)定為溫度858 K，氫氣的著火溫度)。達(dá)到溫度條件化學(xué)反應(yīng)開始進(jìn)行。

1.3 仿真設(shè)置及模型驗(yàn)證

Converge軟件的仿真設(shè)定和控制文件均由用戶自主編寫，并保存在start.in，engine.in，boundry.in，chem.in以及therm.dat等文件中隨時(shí)調(diào)用。

點(diǎn)火過程設(shè)定為在火花塞區(qū)域一定曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)的放熱過程。給定點(diǎn)火能量后，軟件根據(jù)該區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算局部溫度。

設(shè)定轉(zhuǎn)速、氣門開閉時(shí)刻、氣門升程、進(jìn)氣成分、氫氣噴射流量和時(shí)刻、初始溫度和壓力、湍動能等控制條件，設(shè)定自適應(yīng)加密規(guī)則以及計(jì)算步長和收斂條件等控制參數(shù)，仿真即可進(jìn)行。

采用仿真模型計(jì)算氫燃料內(nèi)燃機(jī)在轉(zhuǎn)速5 000 r/min,燃空當(dāng)量比0.5～1.0范圍的NOx排放。計(jì)算結(jié)果與相同條件下試驗(yàn)結(jié)果[14]的對比見圖2。由圖2可知，仿真值和試驗(yàn)值較為吻合，表明該仿真模型具有較好的預(yù)測精度。

圖2 NOx排放仿真值和試驗(yàn)值的對比

2 仿真結(jié)果及分析

氫內(nèi)燃機(jī)采用稀薄燃燒策略時(shí)發(fā)動機(jī)負(fù)荷隨著燃空當(dāng)量比的增加而增大，燃空當(dāng)量比大于0.6的高負(fù)荷工況會產(chǎn)生大量的NO排放。本研究選取燃空當(dāng)量比0.67～1.0，轉(zhuǎn)速1 000～5 000 r/min，EGR率0～30%工況仿真分析燃燒及排放生成過程。

2.1 火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律

OH是氫氣燃燒最為重要的中間物質(zhì)，通過OH質(zhì)量濃度變化就可以分析火焰的傳播過程。圖3示出燃空當(dāng)量比0.8，轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，氣缸內(nèi)OH質(zhì)量濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。點(diǎn)火時(shí)刻設(shè)定在-3°。

圖3 不同曲軸轉(zhuǎn)角下的OH質(zhì)量濃度分布

由圖3可知：點(diǎn)火后(-2.99°，-1.0°)，在火花塞間隙迅速形成了均勻的高濃度OH基區(qū)域；隨后(3.0°，5.0°)高濃度OH基區(qū)域以橢球型向外擴(kuò)張，邊緣的OH濃度明顯高于內(nèi)部；在橢球火焰外側(cè)到達(dá)氣缸壁后(6.0°，6.5°)，燃燒室中部出現(xiàn)大范圍不規(guī)則的高濃度OH基區(qū)域；隨后(8.0°,11.0°)氣缸內(nèi)OH質(zhì)量濃度急劇降低，表明快速燃燒結(jié)束。

OH基是氫氧反應(yīng)的中間基元，根據(jù)高濃度反應(yīng)火焰的強(qiáng)度，點(diǎn)火后首先在點(diǎn)火區(qū)域形成火核，在其前鋒面形成濃度較高的OH基。局部氫氣的燃燒釋放大量的熱，使周圍混合氣被加熱，加快周圍混合氣的氫氧反應(yīng)速度，反應(yīng)達(dá)到一定速度后混合氣開始燃燒，火焰沿著氣缸軸向傳播。由于火花塞電極的阻擋，高濃度OH基區(qū)域擴(kuò)張逐漸形成較為規(guī)則的橢球型邊界，然后以橢球型層流火焰向外傳播(在火焰前鋒面后方燃燒仍在持續(xù)，但強(qiáng)度有所降低)，在火焰前鋒面到達(dá)側(cè)壁時(shí)，由于燃燒產(chǎn)生壓力經(jīng)過壁面反彈，形成劇烈擾動，未燃?xì)怏w被卷進(jìn)燃燒室內(nèi)部形成大范圍湍流燃燒。

圖4示出了6.0°時(shí)的缸內(nèi)速度分布。由圖4可知，火焰到達(dá)側(cè)壁時(shí)氣體流動速度達(dá)到320 m/s，如此高的速度使得火焰和未燃混合氣迅速混合，形成了大范圍湍流火焰，使燃燒進(jìn)程加快，在很短時(shí)間內(nèi)結(jié)束燃燒過程。

圖4 6.0°時(shí)的缸內(nèi)速度場

從仿真過程來看，從點(diǎn)火到燃燒結(jié)束僅持續(xù)了11°(-3° ～8°)，印證了楊振中關(guān)于氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以在上止點(diǎn)后點(diǎn)火的試驗(yàn)結(jié)論[6]。這也是氫燃料內(nèi)燃機(jī)能夠達(dá)到很高效率的重要原因。

2.2 缸內(nèi)溫度變化規(guī)律

圖5示出燃空當(dāng)量比0.9，轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)的缸內(nèi)溫度分布云圖。

圖5 不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)溫度分布

由圖5可知，在橢球型層流火焰擴(kuò)張階段(3.0°，5.0°)，氣缸內(nèi)也存在不斷擴(kuò)大的橢球型高溫區(qū)域；在大范圍湍流燃燒階段，燃燒室的中部出現(xiàn)了大范圍、形狀不規(guī)則的高溫區(qū)，這和OH濃度分布是類似的。不同之處在于，橢球型高溫區(qū)的內(nèi)部溫度高于邊緣溫度，這是因?yàn)闄E球內(nèi)部氫氧的燃燒和放熱更為充分。同樣，大范圍湍流火焰階段的溫度也高于橢球型層流火焰階段。在3°時(shí)，橢球內(nèi)部溫度在2 700 K左右。在5°時(shí)，橢球內(nèi)部溫度在2 900 K。而在大范圍湍流燃燒結(jié)束時(shí)，局部最高溫度達(dá)到了最高的3 200 K(8°),由于湍流的影響，此時(shí)缸內(nèi)的溫度分布并不均勻，部分區(qū)域的溫度低至2 300 K左右。

在快速燃燒結(jié)束后(11°后)，隨著氣體的膨脹，氣缸內(nèi)氣體的溫度迅速降低，到15°時(shí)缸內(nèi)最高溫度已經(jīng)低至2 700 K，局部區(qū)域溫度低至2 200 K；到45°時(shí)，缸內(nèi)最高溫度已經(jīng)低至1 800 K,局部溫度低至1 600 K，缸內(nèi)溫度已經(jīng)比較均勻。

2.3 NO分布變化規(guī)律

NO是氫和空氣反應(yīng)的生成物，是NOx的主要組成部分(超過95%)。圖6示出燃空當(dāng)量比0.9，轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)氫燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)NO質(zhì)量濃度分布云圖。

圖6 缸內(nèi)NO質(zhì)量濃度分布隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

由圖6可知，在橢球型層流火焰期(3°，5°)，燃燒室中部存在外形較為規(guī)則的橢球型NO分布區(qū)域, 橢球內(nèi)部的NO濃度高于火焰前鋒面?？焖偻牧魅紵Y(jié)束時(shí)及以后(8° ～45°)，NO濃度高的區(qū)域基本和高溫區(qū)域重合，且溫度越高的區(qū)域NO濃度越高。說明缸內(nèi)NO的局部濃度和該區(qū)域的溫度緊密相關(guān)。

由圖6可知 ，在燃燒持續(xù)時(shí)，NO濃度隨著高溫區(qū)溫度的增大而持續(xù)升高，在8°出現(xiàn)最高溫度時(shí)NO濃度達(dá)到頂峰，之后隨著溫度的下降，NO濃度也迅速下降。這可能是因?yàn)楦變?nèi)容積增大而引起的濃度降低，也可能是NO轉(zhuǎn)化為其他的基元。

為了定量分析NO生成與火焰?zhèn)鞑ゼ皽囟鹊年P(guān)系，圖7示出了燃空當(dāng)量比0.9，轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)氣缸內(nèi)NO質(zhì)量、OH質(zhì)量及平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。

圖7 NO和OH質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

由圖7可知，在快速湍流燃燒結(jié)束后，NO質(zhì)量隨溫度的的下降而迅速下降。隨著溫度的持續(xù)下降NO質(zhì)量下降的速度變小，在缸內(nèi)平均溫度1 800 K時(shí)，NO質(zhì)量保持穩(wěn)定，此時(shí)的NO質(zhì)量就是最終排放質(zhì)量。

溫度降低初期NO迅速下降的原因在于溫度降低會導(dǎo)致N2的活性迅速降低，NO生成的正向反應(yīng)速率降低而逆向反應(yīng)速率增大，NO和N生成N2。在溫度低至1 800 K時(shí)，NO和N2失去活性，正向和逆向反應(yīng)不再進(jìn)行。由于反應(yīng)時(shí)間有限，逆向反應(yīng)進(jìn)行得并不充分，NO難以完全分解。

由圖6和圖7可知,快速湍流燃燒結(jié)束時(shí)的缸內(nèi)溫度決定NO排放的峰值，而其后溫度降低時(shí)NO生成的逆向反應(yīng)影響最終的排放。

2.4 不同轉(zhuǎn)速和EGR率下的NO排放

圖8示出了轉(zhuǎn)速1 000～5 000 r/min，燃空當(dāng)量比0.67～1.0時(shí)NO最終排放體積分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。由圖8可知，不同燃空當(dāng)量比下NO排放都隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加。在燃空當(dāng)量比0.8時(shí)，轉(zhuǎn)速5 000 r/min的NO排放體積分?jǐn)?shù)達(dá)到9 600×10-6,比1 000 r/min時(shí)增加了1 576×10-6。

圖8 NO排放體積分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的變化

在高轉(zhuǎn)速時(shí)，缸內(nèi)燃燒放熱經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角變化不大，因而NO生成的峰值相差較小。高速時(shí)缸內(nèi)氣體膨脹經(jīng)歷的絕對時(shí)間較短，使得NO分解反應(yīng)進(jìn)行得更不充分，這是高轉(zhuǎn)速時(shí)氫燃料內(nèi)燃機(jī)NO排放較多的主要原因。

圖9示出了燃空當(dāng)量比0.67～1.0，轉(zhuǎn)速5 000 r/min時(shí)NO排放體積分?jǐn)?shù)隨EGR率的變化。由圖可知，在不同燃空當(dāng)量比時(shí)NO濃度均隨著EGR率的增大而迅速降低。在燃空當(dāng)量比為0.67，EGR率為0%時(shí)，NO排放為5 683×10-6，而在EGR率達(dá)到10%時(shí)NO排放降低至1 225×10-6，EGR率進(jìn)一步降低至20%時(shí)，NO排放降低至177×10-6。

圖9 NO排放體積分?jǐn)?shù)隨EGR率的變化

由于再循環(huán)廢氣具有較大的比熱容，在同樣放熱條件下，缸內(nèi)最高溫度隨著EGR率的增大而顯著下降，因而湍流快速燃燒結(jié)束時(shí)的NO生成量也急劇下降，因而EGR是降低氫燃料內(nèi)燃機(jī)NO排放的有效手段。

3 結(jié)論

a) 氫氣在缸內(nèi)的燃燒經(jīng)歷了橢球型火焰穩(wěn)定傳播和大范圍湍流燃燒兩個階段，氫氣火焰前鋒面內(nèi)存在高濃度的OH基，燃燒過程持續(xù)的時(shí)間很短，燃燒速度很快，氣缸內(nèi)最高溫度超過3 200 K；

b) 隨著火焰?zhèn)鞑ィ變?nèi)的高溫區(qū)域不斷增大，溫度在湍流快速燃燒結(jié)束時(shí)出現(xiàn)峰值；NO體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量隨著高溫區(qū)的增大和溫度的提高而增大，在快速燃燒結(jié)束，缸內(nèi)溫度下降時(shí)，NO質(zhì)量不斷下降，在溫度1 800 K時(shí)不再變化；

c) 氫燃料內(nèi)燃機(jī)快速燃燒結(jié)束時(shí)的溫度越高,反應(yīng)生成的NO越多；快速燃燒結(jié)束后，溫度下降得越快，NO的分解越少，最終的排放越高；采用EGR技術(shù)能夠降低缸內(nèi)溫度，大幅度減少NO生成；低轉(zhuǎn)速可以使NO分解更充分，降低NO排放質(zhì)量。