氫發動機低溫燃燒特性的研究?

秦朝舉，楊振中，張衛正，宋立業，原彥鵬

(1.華北水利水電大學機械學院，鄭州 450045； 2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

氫發動機低溫燃燒特性的研究?

秦朝舉1，2，楊振中1，張衛正2，宋立業2，原彥鵬2

(1.華北水利水電大學機械學院，鄭州 450045； 2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

為有效抑制氫發動機的早燃和工作粗暴，在氫發動機中嘗試應用低溫燃燒技術，建立了低溫燃燒預測模型，分析了氫發動機低溫燃燒特征和實現機理。結果表明：通過增加缸內充量中大比熱成分和降低其氧濃度來實現的低溫燃燒技術可有效控制氫發動機燃燒反應速度，抑制早燃和工作粗暴，并減小NO生成物；隨著EGR率的增加，燃燒反應變慢，燃燒持續期延長，燃燒放熱呈現“緩而長”的特點。

氫發動機；低溫燃燒；廢氣再循環；燃燒反應

前言

伴隨工業社會的快速發展，內燃機的數量和應用規模劇增，隨之而來的石油資源日益短缺也成為各國面臨的重要問題。與此同時，大量內燃機排放的廢氣，成為大氣污染的主要來源之一。為徹底從能源危機和環境保護的雙重壓力下解放出來，尋找新的替代能源一直受到世界各國的關注。

氫內燃機作為一種具有燃燒速度快、點火能量低、擴散速度快、淬熄距離小、著火界限寬等優點的新能源動力裝置，已經吸引了諸多研究人員的重視[1-3]。但當前研究已經發現氫內燃機易發生早燃、回火、工作粗暴和NO排放高等諸多現象，限制了氫內燃機的進一步推廣應用[3-5]。因此，根據氫能源的特點，組織設計適合其燃料特性的燃燒模式，是推進氫內燃機技術進步的關鍵。

低溫燃燒技術作為一種近年來普遍應用在柴油機中、以控制排放為目的新型燃燒技術，主要通過應用大比例的廢氣再循環(EGR)和噴油參數的調整，控制預混合燃燒強度，降低燃燒室內氣體高溫，避開NO生成區域，實現減排的目標[6-12]。結合當前氫內燃機的燃燒問題和低溫燃燒技術的主要特點可以發現，如果在氫內燃機中應用低溫燃燒技術，不僅可以控制氫內燃機的早燃現象，同時還可進一步減少NO排放。

本文中根據前期在氫內燃機研究中累積的成果，對低溫燃燒技術在氫內燃機中的應用特點開展了初步研究，建立了氫內燃機低溫燃燒CFD模型，探尋低溫燃燒下的氫內燃機放熱和排放的特點，以便為進一步設計低溫燃燒控制策略和原理樣機試驗研究提供指導。

1 低溫燃燒過程熱力學分析

可燃混合氣的濃度和溫度是內燃機中燃燒發生和排放物生成的兩個基本條件。因此控制燃燒及排放主要通過控制混合氣生成和燃燒溫度來實現。根據熱力學第一定律[7]：

式中：Qin和Qout分別為微小時間間隔內的燃燒放熱量和散熱量；ΔU和ΔW分別為缸內氣體吸收的內能和所做的功；T和T0分別為該時間間隔初始和結束時刻的缸內氣體溫度；ΣmicV，i為混合氣總熱容，下標i為表示混合氣成分，cV，i表示相應的比熱容；tr為燃燒化學反應時間；φf和φO分別為燃料和氧的濃度；ptdc，Ttdc和ρtdc分別為上止點時刻缸內氣體壓力、溫度和密度；R為氣體常數。

仔細分析上述公式可以發現，在微小時間間隔內，為減小缸內氣體溫度升高速率，抑制過高的氣體溫度，可采取的措施為提高缸內工質的總熱容、減小燃燒放熱量、加大工質的做功能力和增加散熱損失能量。另外，燃燒化學反應時間tr主要受溫度和燃料混合情況的影響。因此如果采取一定措施，適當地實現低溫燃燒，從機理上即能有效抑制過快的燃燒反應速率，降低早燃和工作粗暴的傾向，并有利于減少排放。在本文研究中，主要關注了EGR率和燃料當量比變化對氫內燃機低溫燃燒特性的影響。

2 計算模型

2.1 氫內燃機幾何模型參數

本文中以某單缸氫內燃機為研究對象，樣機主要結構參數見表1。

表1 氫內燃機主要結構參數

2.2 計算網格模型

按照表1中所示的氫內燃機主要結構參數，首先建立進氣結束時刻燃燒室三維幾何模型。根據燃燒室結構，在內燃機排氣口關閉時刻，整個燃燒室被劃分成42 824個計算網格，且全部采用六面體單元。建立動網格過程中，通過AVL-FIRE軟件讓程序去查找活塞在氣缸中的位置，然后計算程序根據活塞位置生成動網格模型，具體計算網格模型如圖1所示。

圖1 燃燒室網格模型

2.3 計算模型與控制方程

采用CFD方法模擬內燃機工作過程，其實質就是通過一定的邊界，對Navies-Stokes方程進行數字求解。基本控制方程組主要為質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程、混合氣體狀態方程和流動控制方程。

本文中流動控制方程采用湍流RNGk-ε方程，燃燒模型采用PDF模型，NO排放采用Zeldovich模型，Soot排放采用Frolov Kinetic模型。動量方程差分采用2階精度，穩定性和收斂性比中心差分更好的MINIMOD Relaxed格式，連續方程為中心差分格式，能量等方程使用迎風格式[13-15]。

2.4 模型有效性的驗證

為驗證分析結果的正確性，設計了不同工況下的氫內燃機試驗，根據試驗數據對計算模型進行了修正和校驗。

試驗過程中，采用Kistler 6125壓力傳感器測試缸內氣體壓力變化，曲軸和活塞位置通過光電編碼器獲得，節氣門開度、轉矩和轉速同步記錄，試驗使用的氫燃料體積分數達99.9%。計算選用與試驗相同的邊界條件，氫內燃機工作過程缸內壓力的計算和試驗結果如圖2所示。由圖可見，計算結果與試驗數據基本相同，最大偏差在6%以內，可以認為，計算結果能體現氫內燃機的工作情況。

圖2 缸內計算壓力與試驗壓力對比

3 低溫燃燒計算結果

當前研究中，普遍以控制EGR和缸內氣體氧濃度為措施，在柴油機中實現低溫燃燒。本文中仍主要關注EGR率和當量比(氧濃度)變化對氫內燃機低溫燃燒特性的影響。

在相同充量密度下，計算了EGR率變化對氫內燃機低溫燃燒性能的影響，其中圖3為計算所得的不同EGR率下缸內混合氣體壓力變化狀況。由圖可見：隨著EGR率的升高，缸內氣體最高燃燒壓力呈現減小的變化趨勢，且最高燃燒壓力出現時刻推遲；另外，隨著EGR率的增加，缸內氣體壓力變化平緩，峰值壓力和壓力升高率減小，有利于控制氫內燃機的燃燒噪聲。

根據模型計算所得的不同EGR率下，氫內燃機缸內氣體平均溫度變化曲線如圖4所示。由圖可見，隨著EGR率的升高，缸內氣體平均溫度降低，EGR率分別為0.05，0.10和0.15時，相對于無殘余廢氣的燃燒過程，最高燃燒溫度分別下降88，185和 286K。

圖3 缸內壓力變化對比

圖4 缸內溫度對比

燃燒所產生的NO污染物變化曲線如圖5所示。由圖可見，燃燒放熱過程結束后，不同殘余廢氣系數下，氫內燃機NO所占廢氣的質量分數隨著EGR率的升高減小，且減小幅度很大。EGR率為0.15時，燃燒生成的NO排放質量分數僅為0.03%，從控制NO排放來看，采用廢氣再循環有助于控制氫內燃機NO排放。

圖6為采用低溫燃燒技術后，缸內氫燃料燃燒反應過程變化狀況。由圖可見，在相同點火邊界狀況下，隨著EGR率的增加，燃燒反應速度變慢，著火落后期和燃燒持續時間延長。

圖5 NO排放物對比

圖6 燃燒反應過程曲線

4 氫內燃機低溫燃燒機理分析

根據計算結果可知，采用EGR方式實現氫內燃機低溫燃燒，能夠有效控制缸內氣體壓力變化，減小NO排放，但其控制機理有待進一步明確。

由式(1)～式(4)可知，EGR率升高時，氫內燃機殘余廢氣中H2O等比熱較大的物質所占的成分增加，缸內氣體氧濃度降低，導致缸內工質的總熱容增加，因此燃燒溫度降低。另外，由于氫燃料的著火過程主要受溫度的影響，增加EGR率，缸內壓縮溫度上升速度變慢，氫燃料化學反應速率降低，導致著火落后期和燃燒持續時間延長，后燃期相對變長，整體上看，采用低溫燃燒技術的氫內燃機燃燒放熱率呈現“緩而長”的特點，如圖7所示。

圖7 燃燒放熱率對比

從氫內燃機指示效率來看(如圖8所示)，采用EGR的方式，實現低溫燃燒后，氫內燃機指示效率明顯降低。因此，針對氫內燃機燃燒過程反應速率較快、容易導致早燃及工作粗暴的特點，可以采用低溫燃燒技術，有效控制燃燒反應過程，并減少NO生成物。但是，當氫內燃機處于大負荷工作狀態時，如果采用不合理的低溫燃燒，可能會使內燃機輸出功率受到影響，此時可從兩個方面來保證內燃機功率的要求：(1)降低EGR率，通過限制性使用低溫燃燒技術，優先保證氫內燃機輸出功率的要求，而在部分排放和防止早燃方面做一定的犧牲；(2)在采用低溫燃燒技術的同時，結合增壓的方式，通過增加缸內充量，來滿足內燃機輸出功率的要求。

圖8 氫內燃機指示效率曲線

5 結論

本文中針對氫內燃機燃燒反應較快的特點，嘗試采用低溫燃燒的方式控制其燃燒反應速率，通過建立CFD燃燒模型對氫內燃機采用低溫燃燒技術后的工作過程性能進行了數值模擬，分析了氫內燃機采用低溫燃燒技術后，主要工作性能特性變化規律，并闡述了低溫燃燒技術在氫內燃機中應用的主要控制機理。得出結論如下：

(1)采用低溫燃燒技術，有助于控制氫內燃機燃燒反應速度，抑制氫內燃機早燃和工作粗暴的特點，并能有效減小NO生成物；

(2)隨著EGR率的增加，氫內燃機燃燒反應速度變慢，著火落后期及燃燒持續時間延長，燃燒放熱率呈現“緩而長”的特點，后燃的比例相對較大；

(3)氫內燃機采用EGR實現低溫燃燒，在機理上主要通過控制H2O等比熱較大的物質所占的成分，降低缸內工質氧濃度，導致工質的總熱容增加，進而控制燃燒反應速率，降低燃燒溫度。

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A Study on Low-temperature Combustion Characteristics in Hydrogen Engine

Qin Zhaoju1，2，Yang Zhenzhong1，Zhang Weizheng2，Song Liye2＆Yuan Yanpeng2
1.School of Mechanical Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou450045；2.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing100081

For effectively suppressing the pre-ignition and harsh combustion in hydrogen engine，the application of low temperature combustion technique to hydrogen engine is attempted.The prediction model for low-temperature combustion is established and the characteristics and implementing mechanism of low-temperature combustion in hydrogen engine are analyzed.The results indicate that low-temperature combustion，which is achieved by increasing high specific-heat components and reducing oxygen concentration of in-cylinder charge，can effectively control the combustion reaction velocity，suppress the pre-ignition and harsh combustion and reduce NO pollutant in hydrogen engine.With the rise of EGR rate，combustion reaction slows down，combustion duration extends and heat release shows a feature of“slow and lengthy”.

hydrogen engine；low temperature combustion；EGR；combustion reaction

?國家自然科學基金(51076046)、河南省高等學校重點科研項目(15A470017)和河南省科技攻關項目(172102210052)資助。

原稿收到日期為2016年1月25日，修改稿收到日期為2016年5月12日。

秦朝舉，博士，E-mail：qinzhaoju2＠126.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.003