不同EGR對氫內燃機的燃燒特性影響

任天樂，郭浩，楚朝陽

（華北水利水電大學，機械學院，河南 鄭州 450011）

不同EGR對氫內燃機的燃燒特性影響

任天樂，郭浩，楚朝陽

（華北水利水電大學，機械學院，河南 鄭州 450011）

本文基于fire三維CFD模擬軟件，建立單缸進氣歧管噴射的氫內燃機三維燃燒模型，重點研究了不同EGR率下，氫內燃機的壓力場、溫度場以及排放的變化。分析結果表明，隨著EGR率的不斷提高，氫內燃機的最高壓力值、最高溫度和壓力升高率、溫度升高率均下降，NO排放量大幅降低，但同時對動力性和經濟性也有一定影響。

氫內燃機；EGR；NO排放

CLC NO.:U464.12Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-29-04

前言

近年來，采用氫氣作為內燃機替代燃料的研究引起國內外高度重視，大量的實驗研究表明氫氣是一種高效清潔的燃料。內燃機燃用氫氣完全可以獲得與燃用汽油相似的運行性能[1]，而且更清潔。但是隨著當量燃空比的增加，氫內燃機的燃燒溫度急劇增高，使得NOx排放變得很嚴重，而NOx排放中NO是主要危害物。如何在提高氫內燃機功率的同時又不增加NO排放是研究人員所致力解決的一個問題。廢氣再循環( EGR)是個很好的選擇，采用EGR 后，增大了缸內氣體的比熱容，減慢了燃燒速度，從而降低了燃燒溫度并減少了NO排放[2]。

AVL公司的FIRE軟件對內燃機進行計算流體

力學分析，擁有求解器FIRE、前處理器FAME和后處理器IMPRESS，不僅可以完成內燃機穩態計算，還可以精確計算內燃機瞬態過程。本研究基于FIRE軟件，對氫內燃機的部分燃燒特性進行模擬分析。

1、研究設備與方法

本研究設備為日本三菱重工生產的K5A汽油機改造而成的氫內燃機，內燃機水平橫置，單缸水冷，缸徑85mm，沖程85mm，壓縮比4.8，排量0.482L。本試驗采用進氣歧管噴射氫氣，噴氫壓力為0.2MPa。本文基于FIRE軟件對氫內燃機的燃燒特性進行模擬，通過改變EGR率的大小，對氫內燃機燃燒過程中的壓力場、溫度場以及排放特性進行分析。

2、仿真研究

設定氫內燃機的轉速n=2000r/min，空燃比λ =1.46，點火提前角為30°CA，通過不斷改變EGR率的大小，得出EGR率變化對氫內燃機燃燒特性的影響。

2.1 不同EGR率下的壓力場分析

本節分別設定EGR率為0.01、0.1、0.15和0.2，不同EGR率對應缸內壓力曲線如圖1所示。

從圖1中可以明顯看出，EGR率對氫內燃機的影響很大。增大EGR率，可致使氫內燃機缸內最高燃燒壓力降低，壓力升高率明顯下降。當EGR率達到20%時，缸壓降低效果明顯。EGR率需在20%到30%以上才會有明顯效果，但較大的EGR率會使輸出功率和動力性下降[3]。

下表為兩種不同EGR率下，氫內燃機在不同曲軸轉角下的壓力場分布：

表1 EGR率對缸內壓力影響的三維模擬Table 1 3D simulation diagram of cylinder pressure under different EGR

從表1的三維模擬結果對比中可以發現，在各個曲軸轉角下，EGR=0.2的壓力場分布明顯滯后于EGR=0.1時的壓力場分布，而且大EGR下的缸內壓力分布更加均勻，壓力值更低。故而，較低的燃燒壓力會使NO排放降低，但相應的動力輸出變差。

2.2 不同EGR率下的溫度場分析

由于氫氣的擴散速度極快，在進氣歧管噴射后，可以很快形成氫氧混合氣并進行預混燃燒，所以氫內燃機沒有柴油機的雙峰值放熱曲線。

圖2是氫內燃機在四種不同EGR率工況下的瞬時放熱率曲線，可明顯看出，EGR率越大，燃燒持續的曲軸轉角越長，燃燒放熱率峰值隨之降低，同時氫氧混合氣的放熱峰值的相位向后推移，燃燒持續期顯著增大并后移。其原因主要是因為影響著火反應的最主要因素是濃度和溫度：隨著EGR率的增大，缸內混合氣的濃度被大幅稀釋；而且加入EGR后缸內氣體比熱容增大，故如圖3所示，隨著EGR

率增加，溫度升高率減緩，溫度峰值降低且后移。同時，由進氣道循環回來的廢氣含有大量的NO、H2O和CO2等最終產物，導致氧化與裂解的正反應速率降低，而逆反應速度增大。

表2 不同EGR率下的缸內溫度場分布The temperature distribution in cylinder under different EGR

氫內燃機在兩種不同EGR率下的缸內溫度場如上表2所示。可以發現，EGR=0.2時對燃燒的抑制更加明顯，火焰傳播變慢，燃燒持續期延長。這是因為通過EGR循環回來的廢氣中H2O和CO2分子的比熱容很大，很強的吸熱能力影響了混合氣的燃燒過程。通過EGR廢氣循環大量回流時，預混層流火焰傳播速度降低，導致缸內最高燃燒溫度下降。同時由于上述原因，氫內燃機的燃燒持續期、火焰發展期和快速燃燒期均隨EGR率的增加而相應增大。

總體來說，EGR會抑制缸內燃燒的劇烈傾向，使燃燒變得平緩；同時，燃燒放熱率、溫度升高率和最高溫度均隨著EGR的增大而降低。所以，適當的EGR可以使NO排放量降低[4]。

2.3 EGR對NO排放的影響

高溫、富氧和反應時間決定NO的排放量。由以上對氫內燃機的缸內壓力場和溫度場的分析可以得知，缸內最大燃燒壓力、最高燃燒溫度及壓力升高率、溫度升高率均隨著EGR率的增大而大幅降低。同時，隨著EGR率的提升，缸內氧氣濃度明顯下降，且反應時間延長，故EGR是控制氫內燃機NO排放的有效手段。

如圖4所示，隨著EGR率的增大，NO排放的質量分數明顯降低。當EGR率達到20%以上，降低效果非常明顯。這是因為，當EGR率從0.01提升到0.2時，最高溫度大幅下降，避開了NO大量生成的高溫區，缸內的最高壓力值也大幅下降（圖1）；同時由于隨著EGR率的增大，廢氣循環進入氣缸，使得混合氣中氧氣濃度降低，配合較低的缸內壓力和溫度從而獲得很低的NO排放。但是，較大的EGR率會使燃燒惡化，氫內燃機動力性、經濟性和熱效率變差，應用推廣有很大局限，在實際應用中應當注意。

圖5是不同EGR率下的NO生成率曲線。因為

在實際燃燒過程中，缸內始終存在少量廢氣，故將EGR=0.01時的情況近似看作EGR=0時的情況。由圖看出，在不同EGR率下，NO的變化歷程均類似，在上止點之后開始快速生成，上止點后35°CA之后反應速率趨于0，說明此時NO的生成已經幾乎完成，燃燒后期雖然缸內溫度很高，但混合氣中的氧氣基本消耗殆盡，所以沒有大量NO生成。由于氫內燃機點火之后，火焰迅速傳播，缸內溫度急劇升高，完全具備了快速NO的生成條件，所以在火焰峰面后會產生大量的NO；隨著EGR率增大，NO生成速率減小，NO最終生成量顯著降低。所以，利用EGR可以很有效地降低NO排放量，以達到嚴格的排放法規所規定的限值[5]。

氫內燃機使用EGR對NO的排放抑制效果很明顯，為深入揭示機理，下面對EGR率為0.1和0.2的兩種工況下的微觀三維模擬結果進行對比。

表3 不同EGR率下的缸內NO生成量三維模擬圖The NO’s generation of 3D simulation diagram under different EGR

表3顯示了氫內燃機在兩種不同EGR率下的NO生成量三維模擬圖。對比表2，在上止點720°CA時，圖中的NO生成都是在高溫區域內生成，同時NO的生成滯后于同曲軸轉角下的溫度場分布，這說明NO排放在需要高溫富氧的同時，也需要充足的反應時間，模擬結果與實驗結果是一致的。高溫區的減少是導致氫內燃機NO排放降低的根本原因。在表3中，相同曲軸轉角下，EGR率為20%時的NO生成量明顯低于EGR率為10%時的生成量，并且生成范圍較小。一方面是由于較大EGR率的燃燒更加滯后，EGR率為20%的燃燒室溫度遠低于EGR為10%時的溫度，所以NO排放降低。另一方面，雖然每循環的噴氫量不變，但EGR量的增大導致混合氣中氧氣濃度降低，進而降低了NO的生成。

上述微觀模擬分析結果和NO的生成量及反應速率的宏觀分析結果是完全一致的，微觀分析能更加直觀清楚地揭示氫內燃機排放的發生過程[6]。

3、結論

本文重點模擬了不同EGR率下氫內燃機部分燃燒特性和排放特性的變化。對比不同工況下的模擬結果表明，在合適的EGR率下，可降低氫內燃機缸內最高燃燒壓力、最高燃燒溫度和壓力升高率、溫度升高率，使NO排放大幅降低，但同時要考慮EGR對氫內燃機動力性和經濟性的影響。

[1] Berckm Her M , Rottengneber H , Eder A et al. Potentials of a charged SI- hydrogen engine [ R] . SAE Paper 2003-01-3210.

[2] 孫大偉,劉福水.熱EGR對氫內燃機性能及排放影響的試驗研究[J].內燃機學報,2009,27(2).

Sun Da-wei, L IU Fu-shui, Experimental Study on Performance and Emission of Hydrogen Internal Combust ion Engine Using Hot EGR[J], Transactions of CSICE, 2009,27(2).

[3] Yang ZHENZHONG, Wang LIJUN, Li JINGDING et al. Research on the Optimizing Control Technology Based on Fuzzy-Neural Network for Hydrogen Fueled Engines [J].International Journal of Hydrogen Energy,2006.(14): 2370-2377.

[4] 楊振中,師素娟,宋茂江.基于壓力升高率的氫燃料發動機異常燃燒分析與控制[J].農業工程學報,2010,26(11): 124-129.

Yang Zhenzhong, Shi Sujuan, Song Maojiang. Analysis and control of abnormal combustion of hydrogen fueled engines based on pressure rise rate[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(11): 124-129.

[5] Endres H, Heuber H J, Wurms R. Influence of swift and tumble on economy and emissions of multi-valve SI engines [C].In: SAE Paper1992,920516.

[6] Stokes J, Lake T H, Christie M J, et a1.Improving the NOx/ fuel economy trad-off for gasoline engines with the CCVS combustion system[A]. In: SAE Paper1994,940482.

The Change of Hydrogen Fueled Engine's Combustion Characteristic under different EGR

Ren Tianle, Guo Hao, Chu Chaoyang
(North China university of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450011)

?In this paper, based on the three-dimensional CFD simulation software fire, the 3D simulation model of hydrogen fueled engine which is single-cylinder and intake manifold injection is established. The paper is mainly focused on the change of pressure field, temperature field and emissions of hydrogen fueled engine under different EGR rate. Analysis results show that with the constant improvement of the EGR rate, the highest pressure value, the highest temperature and pressure rise ratio and temperature rise ratio of hydrogen fueled engine are decreased, the emissions of NO is greatly reduced, but it also has some influence on the power and economy performance of hydrogen fueled engine.

Hydrogen fueled engine; EGR; Emissions of NO

U464.12

A

1671-7988(2014)02-29-04

任天樂，碩士研究生，華北水利水電大學，就讀于主要研究方向：氫燃料發動機異常燃燒分析。