氫氣添加對柴油發(fā)動機燃燒和排放特性的數(shù)值模擬

劉近平，王秀峰

（安陽工學院，河南安陽455000）

隨著汽車保有量的不斷增加，面對石油資源短缺和環(huán)境污染加劇的雙重壓力，尋求新的可替代清潔燃料迫在眉睫。氫氣作為一種清潔的可再生能源，本身燃燒不產(chǎn)生污染物，直接作為發(fā)動機的燃料或者添加劑加入到目前的發(fā)動機中比較容易實現(xiàn)，因此國內(nèi)外一些學者對其在發(fā)動機中的燃燒特性進行了研究[1-3]。

Madhujit Deb團隊[4]利用臺架試驗，深入研究了柴油與氫氣混合對柴油機燃燒及排放過程的影響，氫氣和空氣在進氣歧管處混合，柴油則采用缸內(nèi)直噴技術，試驗結果顯示：氫氣添加使得發(fā)動機的有效熱效率明顯上升，缸內(nèi)壓力的峰值和放熱率急劇增加，隨著氫氣含量的增加，碳氧化物和微粒的排放有所降低、氮氧化物排放有所增加。Y Karag?z[5]更進一步研究了不同負荷下添加氫氣對柴油發(fā)動機排放特性的影響，試驗結果顯示，發(fā)動機在部分負荷時，氫氣添加后氮氧化合物和微粒的排放會基本保持不變，而發(fā)動機在全負荷的時候，氮氧化合物的排放由于氫氣的添加而變得急劇升高。為了進一步考察氫氣添加后對燃燒過程中主要中間產(chǎn)物的影響，羅旻燁[6]基于層流預混火焰研究了不同的氫氣添加量對異辛烷燃燒產(chǎn)物和中間組分的影響，結果表明隨著氫氣的增加，氫氣的熱作用和稀釋作用使得CO和CO2的摩爾分數(shù)下降，特別是得出了H、O和OH自由基的濃度隨著氫氣添加量的增加而減少的結論，對氫氣影響燃燒過程的影響更推進了一步。由于柴油機的缸內(nèi)燃燒過程非常復雜，柴油機中添加氫氣后對缸內(nèi)當量比的分布和燃燒放熱過程的影響認識仍不充分，本文采用三維數(shù)值計算的方法，研究氫氣添加對柴油機缸內(nèi)燃燒過程和排放特性的影響。

1 計算模型

燃油的霧化蒸發(fā)過程直接影響燃燒、放熱以及污染物的排放，AVL_Fire軟件提供了豐富的模型選擇，以滿足不同情況燃油噴射的需求。

1.1 噴霧模型

目前比較常用的計算噴霧模型主要是離散液滴模型和連續(xù)液滴模型，這兩種噴霧模型都是基于噴霧具有氣液兩相結構而建立的，用以模擬汽缸內(nèi)混合氣氣體和液體交界面上相互之間的影響。本文計算中選取的破碎模型為TAB破碎模型[7]，該模型計算液滴在運動過程中受到空氣阻力時發(fā)生變形。

y為計算時液滴最大直徑，x為液滴離開平衡位置的位移，C為液滴變形判斷常數(shù)，r0為未破碎時液滴的直徑，球形液滴控制方程為

其中，U為液滴運行的速度；μl是液滴的黏度；ρg和ρl分別是氣相和液相的密度。在計算過程中，只有當y＞1時，液滴發(fā)生破碎，碰壁模型選擇的是O’Rourke和Amsden模型。

1.2 蒸發(fā)模型

本文液滴的蒸發(fā)過程采用Frossling Correla?tion模型，該模型計算液滴半徑隨時間的變化率，公式如下[7]：

上式中，r0是液滴的半徑，ρl為液滴的密度，D為液滴蒸發(fā)到環(huán)境氣體的質量擴散，Bd為蒸汽擴散系數(shù)，SHd為Sherwood數(shù)。

2 計算結果與分析

計算所采用的發(fā)動機燃燒室為ω型，壓縮比為15：1，將 AVL-Fire 軟件的2D Sketcher模塊繪制的柴油機燃燒室剖面圖（圖1）導入CFD Workflow Manager模塊，生成燃燒室的面網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 發(fā)動機燃燒室結構圖

圖2 不同曲軸轉角下的二維網(wǎng)格

計算時所采用的發(fā)動機模型參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機技術參數(shù)

計算過程中，設置循環(huán)噴油量是40mg，EGR率為0，殘余廢氣率是0.478，計算過程是從曲軸轉角195°CA 到 400°CA。NOx排放選取 Extended Zel?dovic模型，氫氣添加的比例分別為0%、3%和6%。

2.1 不同比例的氫氣添加對燃燒過程的影響

圖3是不同比例的氫氣添加下缸內(nèi)溫度隨曲軸轉角變化的規(guī)律。從圖中可以看出，在缸內(nèi)燃燒過程發(fā)生后，添加氫氣對溫度的升高有較大的影響：氫氣添加量為0%時缸內(nèi)最高溫度為1317 K，當氫氣添加量為3%時最高溫度為1500K，當氫氣添加量為6%時最高溫度達到了1740K。隨著氫氣添加量的逐漸增加，缸內(nèi)的溫度逐漸升高，同時缸內(nèi)燃燒的著火點略有提前。這是因為進氣過程中添加了氫氣以后，混合氣中的燃料含量有所增加，當量比加大，柴油噴入到缸內(nèi)后開始霧化蒸發(fā)，氫氣含量較大的情況下由于當量比大更容易提前著火，同時氫氣的著火速度與柴油相比更快，因此缸內(nèi)燃燒的著火始點略有提前。圖4為不同氫氣添加量下缸內(nèi)溫度變化的計算結果。從圖中可以看出，在355°CA之前氫氣添加對溫度沒有影響，說明在壓縮過程中氫氣并沒有發(fā)生相應的氧化反應；隨著燃燒過程的推進，氫氣含量較多的區(qū)域更容易著火，例如在375°CA時刻，6%的氫氣添加量下與0%的氫氣添加量相比，高溫區(qū)域明顯擴大，同時缸內(nèi)最高溫度也相有所升高。

圖3 不同比例的氫氣添加對缸內(nèi)溫度的影響

2.2 不同比例的氫氣添加對NO的影響

圖5反映了不同比例的氫氣添加對NO生成的影響。從圖中可以看出，當氫氣添加量為0%時NO的排放最高，當氫氣添加量為3%時NO的生成最低，當氫氣添加量為6%時NO的生成居中。NO的生成與缸內(nèi)溫度和氧氣分子的含量有關，當氫氣添加量為0%時，氧氣分子含量較高，更有利于NOx的生成，但是此時缸內(nèi)溫度最低，NO不容易進一步氧化成其他的氮氧化物，因此NO濃度最高。當添加量為3%時，缸內(nèi)氧氣含量并不高，同時溫度也不太高，在此環(huán)境下NOx不容易生成，因此NO的濃度最低。隨著添加量的進一步加大，當添加量達到6%時，雖然氧氣分子的含量有所降低，但是缸內(nèi)的燃燒溫度有了大幅度的提升，加劇了氮氣和氧氣的反應，缸內(nèi)的NO含量也有一定程度的提升。圖6為NO在不同氫氣添加量下的缸內(nèi)分布圖。從圖中可以清晰地看出，在氫氣為0%添加量時，NO的缸內(nèi)分布區(qū)域較最大，3%氫氣添加量時NO的空間分布區(qū)域最小，這和上面的分析是一致的。

圖4 不同比例的氫氣添加量下缸內(nèi)溫度分布

圖5 不同比例的氫氣添加對NO生成的影響

2.3 不同比例氫氣添加對碳煙生成的影響

圖7是不同比例氫氣添加對碳煙生成的影響。當氫氣添加量為0%時，缸內(nèi)碳煙生成量最多；當氫氣添加量為3%時，缸內(nèi)碳煙的生成量最低，當氫氣添加量為6%時碳煙生成相對于3%時有所升高；碳煙的生成主要集中在365°CA和380°CA之間。主要原因如下：當氫氣添加量為0%時，此時缸內(nèi)的溫度較低但是能夠滿足碳煙的生成條件，缸內(nèi)有大量的碳煙生成；隨著氫氣添加量的增加，缸內(nèi)溫度升高，部分碳煙被氧化，缸內(nèi)碳煙生成量有明顯的下降；當氫氣添加量達到6%時，缸內(nèi)溫度最高，但氧氣分子的含量最低，已生成的碳煙所進行的氧化反應速度減慢，因此與3%氫氣添加量相比，碳煙的含量會有所提升，但是與純柴油相比仍是降低的。圖8為碳煙在不同氫氣添加量下的缸內(nèi)分布圖。從圖中可以看出，碳煙的生成持續(xù)時間相對較短，在燃燒剛開始的階段有大量的碳煙產(chǎn)生，對比圖4可以看出，碳煙剛開始生成量最多的區(qū)域是溫度略高的區(qū)域，隨著反應的進一步加劇，缸內(nèi)溫度急速升高，碳煙顆粒物被氧化，生成量會加速減少。從生成總量上來看，氫氣的添加對碳煙排放物的影響并不是特別明顯。

圖6 不同比例的氫氣添加量下NO生成分布

圖7 不同比例的氫氣添加對碳煙生成的影響

2.4 不同氫氣添加量的氣體速度場

缸內(nèi)燃燒過程與噴霧過程以及氣體流動密切相關，圖9為缸內(nèi)氣體速度場。從圖中可以看出，氫氣添加后對缸內(nèi)氣體的流速影響不大，這主要是因為氫氣在進氣歧管中進行噴射，缸內(nèi)燃油噴射對不同比例氫氣添加下氣流運動的變化影響基本一致，因此不同比例的氫氣添加對缸內(nèi)氣體流速的影響較小。

3 結論

本文基于發(fā)動機三維仿真軟件AVL_Fire軟件，研究了不同比例的氫氣添加對發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程和主要污染物的影響，得出的結論如下：

①隨著氫氣添加量的增加，缸內(nèi)的平均溫度有較大幅度的升高，同時缸內(nèi)的著火始點略有提前；氫氣添加后，改變了缸內(nèi)混合氣的當量比，對燃燒過程產(chǎn)生了一定的影響；

②隨著氫氣添加量的增加，缸內(nèi)NO的生成呈現(xiàn)出先降低再升高的趨勢，在氫氣添加比例為3%時最低；NO的生成除了受控于溫度之外，還有氧氣濃度聯(lián)系較為緊密；

圖8 不同比例的氫氣添加量下缸內(nèi)碳煙分布圖

圖9 不同比例的氫氣添加量下氣體速度場

③缸內(nèi)碳煙的生成在某一氫氣添加量下最低，這主要是因為在較高的溫度和較高的氧濃度下，碳煙容易發(fā)生氧化反應；同時，氫氣添加對碳煙生成量的影響不是特別明顯。