中高轉(zhuǎn)速下不同EGR率對氫發(fā)動機(jī)性能的影響研究

秦智超　楊振中　孫永生

摘 要：文章通過對中高轉(zhuǎn)速（4500rpm）氫發(fā)動機(jī)進(jìn)行CFD模擬，研究不同EGR率對燃燒性能及排放性能的影響。結(jié)果表明：相同負(fù)荷下EGR率增加對缸內(nèi)燃燒進(jìn)程影響明顯，最高壓力、溫度減小，發(fā)動機(jī)動力性能降低，NOx排放降低顯著，進(jìn)一步增加EGR率會導(dǎo)致反應(yīng)期滯后嚴(yán)重，甚至無法完全燃燒，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的功率輸出，因此在不同工況下對EGR率的選取十分重要。關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;氫燃料發(fā)動機(jī);廢氣再循環(huán);燃燒排放性能中圖分類號：U464? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-49-03

Abstract： In this paper， the CFD simulation of a medium and high speed （4500rpm） hydrogen engine is carried out to study the effects of different EGR rates on combustion performance and emission performance. The results show that the increase of EGR rate under the same load has obvious influence on the in-cylinder combustion process， the maximum pressure and temperature decrease， the engine power performance reduces， and the NOx emission decreases significantly. Further increase of EGR rate will lead to lag in the reaction period or even incomplete combustion seriously. what's more， the power output of the engine is reduced seriously， so the selection of the EGR rate is very important under different working conditions.Keywords： Numerical simulation; Hydrogen-fueled engine; EGR; Combustion emission performanceCLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-49-03

前言

由于化石燃料不斷損耗所造成的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題已經(jīng)尤為突出^[1]，車輛保有量的逐年提升^[2]，內(nèi)燃機(jī)對傳統(tǒng)燃料的依賴性不斷增強(qiáng)，一直以來，節(jié)能減排是發(fā)動機(jī)發(fā)展的方向。

氫燃料完全燃燒產(chǎn)物只有水，是一種理想的替代燃料。但是由于氫的燃燒反應(yīng)溫度較高導(dǎo)致在高溫環(huán)境下將空氣中的N₂氧化成NOx，且在較高負(fù)荷下NOx生成量較多，無法滿足排放法規(guī)的要求。

針對上述問題，Pranav V. Kherdekar等人^[3]利用數(shù)值模擬開發(fā)了NO生成模型，表明NO濃度不僅取決于缸內(nèi)溫度峰值，還取決于缸內(nèi)溫度的時間變化。Sharma R等人^[4]研究了超稀薄條件下NO的生成規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在超稀薄燃燒條件能夠確保燃燒溫度足夠低，NOx生成速度足夠慢，能夠有效降低NOx排放。

廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation;EGR）技術(shù)的出現(xiàn)，有效地改善了內(nèi)燃機(jī)的性能，尤其是降低柴油機(jī)中的NOx排放以及減少汽油機(jī)中的爆震現(xiàn)象^[5][6]。Amr?Ibrahim?等人^[7]利用EGR系統(tǒng)改善天然氣發(fā)動機(jī)的性能，發(fā)現(xiàn)冷卻的EGR可以在高壓縮比條件下顯著降低NO排放。

在氫內(nèi)燃機(jī)中使用EGR系統(tǒng)，能夠有效地降低燃燒溫度，對NOx排放以及氫內(nèi)燃機(jī)異常燃燒有明顯的作用，因此本文通過AVL-Fire軟件對單缸氫發(fā)動機(jī)進(jìn)行模擬，研究不同EGR率對氫發(fā)動機(jī)性能的影響。

1 模型選取及方案設(shè)定

1.1 發(fā)動機(jī)模型網(wǎng)格劃分

對一臺單缸發(fā)動機(jī)進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：缸徑94mm、行程85mm、壓縮比9.7、連桿長度137mm，利用對稱性建立三維模型減少計(jì)算量，模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.2 初始邊界條件選取

選取合適的初始條件和邊界條件能夠有效地提升模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，本模型根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值及預(yù)模擬設(shè)置的初始條件為：進(jìn)氣道溫度293K、壓力0.1Mpa;排氣道溫度900K、壓力0.106Mpa;邊界條件設(shè)置為：進(jìn)氣道溫度300K、壓力0.1Mpa;排氣道溫度600K、壓力0.106MPa，活塞溫度600K。

1.3 計(jì)算模型及試驗(yàn)方案

本文模擬計(jì)算一個循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)角為351～1071°CA，其中壓縮上止點(diǎn)為720°CA，具體范圍如表1所示。通過模擬計(jì)算4500rpm、中高負(fù)荷下不同EGR率對氫發(fā)動機(jī)性能的影響，點(diǎn)火時刻為702°CA，EGR率設(shè)為0、0.05、0.1、0.15、0.20五組進(jìn)行對比研究。

2 模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 對燃燒放熱的影響

圖2為不同EGR率對最大放熱率和實(shí)際當(dāng)量比的影響。圖3表示EGR率對燃燒進(jìn)程的影響?？v坐標(biāo)表示燃燒進(jìn)程，定義從0.1到0.9為主燃燒階段，可以發(fā)現(xiàn)增加EGR率導(dǎo)致主燃燒期對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的不斷增加和推遲。無EGR時主燃燒從704°CA開始，持續(xù)期僅為12°CA，此時最高放熱率為62J/deg;當(dāng)EGR率增加到0.2時燃燒從718°CA持續(xù)到780°CA，放熱緩慢，最高放熱率僅為8.7J/deg，對發(fā)動機(jī)的功率輸出影響嚴(yán)重。EGR率對放熱影響明顯，而燃燒過程又是放熱率的具體體現(xiàn)，EGR率依次增加到0.15時，最大放熱率接近線性減小;繼續(xù)增加至0.2后，燃燒極度惡化。主要原因燃料濃度對氫燃料燃燒速度影響明顯，增加EGR后改變了缸內(nèi)混合氣的成分，隨著EGR率的不斷增加，燃料稀釋度增加，同時缸內(nèi)新鮮空氣量減少導(dǎo)致氧氣濃度降低，燃燒速度降低。

2.2 對溫度壓力的影響

圖4和圖5表示不同EGR率下缸內(nèi)平均壓力和平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變換趨勢。EGR的增加使得缸內(nèi)最高壓力和溫度逐漸降低，且降低趨勢逐漸增加;同時各EGR率下最高溫度和最高壓力所在的曲軸轉(zhuǎn)角也不一致，整體趨勢隨著EGR率的增加，最高點(diǎn)出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸增加，這與主燃燒階段的增加和推遲相關(guān)。無EGR時缸內(nèi)最高壓力為60bar，EGR率為0.15時，最高壓力降為38bar。而EGR為0.2時最高缸內(nèi)壓力為28bar，此時曲線與純壓縮曲線接近。無EGR時最高溫度為2770K，EGR率為0.15時，最高溫度為2230K。在EGR率為0.2時，最高溫度出現(xiàn)在790°CA，表明在該EGR率下燃燒階段已經(jīng)嚴(yán)重推遲，缸內(nèi)溫度下降明顯且在做功后期溫度較高，后燃現(xiàn)象明顯。

2.3 對NO排放的影響

圖6表示EGR率對氫發(fā)動機(jī)NO排放的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)此時增加EGR對NO的排放改善明顯。

一方面，增加EGR后對缸內(nèi)新鮮充量進(jìn)行稀釋，另一方面，由于EGR的引入而導(dǎo)致氧氣量的減少，尤其是在EGR率為0.15時，此時NO排放接近為0，其主要原因在于大量EGR的引入導(dǎo)致此時缸內(nèi)的氧氣濃度較低，此時當(dāng)量比、溫度較高，但氧氣不足，造成NO_x降低;增加到更高的EGR

率（0.2）時由于溫度和氧氣量均不高，盡管燃燒能夠達(dá)到NO生成的溫度，但H₂反應(yīng)活性高，此時氧氣主要與H₂反應(yīng)，排放幾乎為零。

3 結(jié)論

氫燃料能夠在較寬的濃度范圍內(nèi)進(jìn)行燃燒，有利于EGR的引入。在4500rpm、中高負(fù)荷下進(jìn)行氫內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)表明，氫內(nèi)燃機(jī)的主要排放污染物為NO，且在中高負(fù)荷時排放量較高，EGR是降低NO排放的有效方式，提高EGR率能夠顯著的減少NO排放。

盡管在排放方面的效果明顯，但隨EGR率的增加，降低了氫燃料的燃燒速度，導(dǎo)致主燃燒期的延長和推遲;EGR也增加了缸內(nèi)的稀釋效應(yīng)和比熱容效應(yīng)，導(dǎo)致放熱率降低;缸內(nèi)溫度和壓力降低趨勢明顯，導(dǎo)致功率輸出不足。因此需要結(jié)合發(fā)動機(jī)的動力性、排放性和經(jīng)濟(jì)性，在不同的工況下選取合適的EGR率來優(yōu)化整機(jī)性能。

參考文獻(xiàn)

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