氫燃料內(nèi)燃機(jī)NOx排放特性及機(jī)理

朱海榮，耿澤偉，劉慶剛，彭培英

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 河北石家莊 050018)

氫燃料內(nèi)燃機(jī)NOx排放特性及機(jī)理

朱海榮，耿澤偉，劉慶剛，彭培英

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 河北石家莊 050018)

為深入研究氫燃料內(nèi)燃機(jī)NOx的生成機(jī)理，基于CONVERGE軟件建立了三維網(wǎng)格耦合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的氫燃料內(nèi)燃機(jī)CFD仿真模型，進(jìn)行了氫燃料內(nèi)燃機(jī)在不同負(fù)荷下的燃燒及排放特性研究。模型的仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。結(jié)果表明，氫氣濃度增大有利于提高氫燃料內(nèi)燃機(jī)的效率；NO的大量生成出現(xiàn)在不斷升溫的快速燃燒期，快速燃燒結(jié)束后NO總量不斷減少，其缸內(nèi)平均溫度低于2 200 K時(shí)NO總量趨于穩(wěn)定；熱NO，NNH和N2O是NO生成最主要的路徑，其中熱NO路徑產(chǎn)生的NO排放最多，其貢獻(xiàn)率隨著負(fù)荷增大而增大。NNH和N2O路徑在較低濃度時(shí)有接近25%的貢獻(xiàn)率，而在燃空當(dāng)量比為1.0時(shí)，這2種路徑對(duì)NO生成的貢獻(xiàn)率之和為負(fù)值。采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法得到了3種路徑在不同負(fù)荷下對(duì)NO生成的貢獻(xiàn)率，初步揭示了氫燃料內(nèi)燃機(jī)NOx生成的機(jī)理，為后續(xù)研究提供了理論參考。

內(nèi)燃機(jī)工程；氫燃料內(nèi)燃機(jī)；詳細(xì)機(jī)理； NOx排放；反應(yīng)路徑；貢獻(xiàn)率

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生大量的溫室氣體和有害排放，對(duì)環(huán)境造成不利的影響，因而尋找低碳排放的內(nèi)燃機(jī)替代燃料很有必要[1-2]。氫氣燃燒清潔且可再生，被一些研究者認(rèn)為是性能較為優(yōu)越的內(nèi)燃機(jī)替代燃料[3-5]。一些汽車廠商如寶馬、福特、長(zhǎng)安分別研發(fā)了氫燃料內(nèi)燃機(jī)(HICE)，并將其應(yīng)用于汽車。示范運(yùn)行的數(shù)據(jù)表明氫燃料內(nèi)燃機(jī)具有較好的動(dòng)力性和可靠性，而且?guī)缀鯖]有含碳排放[6-10]。

NOx是氫燃料內(nèi)燃機(jī)主要的有害排放物。研究發(fā)現(xiàn)，氫燃料內(nèi)燃機(jī)在高負(fù)荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的NOx排放，這是很難避免的；研究者們將NOx排放歸結(jié)于缸內(nèi)溫度的升高，并發(fā)現(xiàn)采用稀薄燃燒、推遲點(diǎn)火、廢氣再循環(huán)等方法都能有效地降低NOx排放[11-14]。上述研究主要由試驗(yàn)得到了NOx排放隨內(nèi)燃機(jī)控制參數(shù)變化的規(guī)律，但鮮有對(duì)其生成機(jī)理的研究。

氮?dú)庠诟邷叵碌难趸且粋€(gè)復(fù)雜的過程，采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法分析反應(yīng)是有效的手段。本文基于已有的氫燃料內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)建立三維網(wǎng)格耦合化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的CFD仿真模型，研究缸內(nèi)燃燒和排放物生成過程，揭示氫燃料內(nèi)燃機(jī)在不同負(fù)荷下的燃燒及排放生成規(guī)律。

1 方法和模型

1.1 氫燃料內(nèi)燃機(jī)

用于建模的氫燃料內(nèi)燃機(jī)是一臺(tái)4缸4沖程自吸式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，每缸排量0.50 L。內(nèi)燃機(jī)的主要參數(shù)見表1。

采用Pro-E軟件建立內(nèi)燃機(jī)的三維實(shí)體模型。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，建模時(shí)忽略各缸進(jìn)氣的不一致性，最終三維實(shí)體模型僅包含單個(gè)汽缸、進(jìn)排氣道、氫氣噴閥、氣門，如圖1所示。將實(shí)體模型以STL文件格式導(dǎo)入CONVERGE軟件，設(shè)定不同區(qū)域的邊界類型以及基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸和加密規(guī)則，在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)CONVERGE軟件會(huì)自動(dòng)生成計(jì)算網(wǎng)格。本文設(shè)定的基礎(chǔ)網(wǎng)格邊長(zhǎng)為8 mm。汽缸內(nèi)部、邊界、氣門區(qū)域和點(diǎn)火區(qū)域分別加密2～4級(jí)。在點(diǎn)火和火焰前鋒面等溫度壓力急劇變化的區(qū)域加密5級(jí)，火焰區(qū)的網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.5 mm，燃燒模擬時(shí)網(wǎng)格總數(shù)超過48萬。

表1 氫燃料內(nèi)燃機(jī)主要參數(shù)

1.2 燃燒模型

本文采用基于仿真初始值引導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的SAGE模型，燃燒機(jī)理文件自主編寫并存儲(chǔ)在工作目錄，在燃燒模擬時(shí)隨時(shí)調(diào)用。燃燒機(jī)理文件以CHEMKIN 格式保存。本文選擇GRI 3.0詳細(xì)機(jī)理并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。GRI 3.0機(jī)理包含69 步H-O-N基元反應(yīng)，被研究者廣泛引用并證明具有很高的精度[15]。基于敏感系數(shù)法簡(jiǎn)化后包含22步可逆基元反應(yīng)，以文本文件存儲(chǔ)。其中N-O反應(yīng)機(jī)理包含常見的熱NO路徑、NNH-NO路徑和N2O-NO路徑，能夠較為詳盡地揭示NO的生成過程。

化學(xué)反應(yīng)機(jī)理啟動(dòng)的溫度設(shè)置為858 K。點(diǎn)火模型設(shè)置為能量釋放模式。在開始點(diǎn)火的0.5 ℃A內(nèi)將點(diǎn)火能量(本文設(shè)定為20 mJ)的60%釋放在火花塞之間狹小區(qū)域內(nèi)。在隨后的2 ℃A釋放其余的點(diǎn)火能量，從而在局部產(chǎn)生高溫，使化學(xué)反應(yīng)機(jī)理順利啟動(dòng)。軟件根據(jù)自帶的反應(yīng)物、中間物和生成物熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算缸內(nèi)的熱力過程。

1.3 流動(dòng)、傳熱、噴射模型和仿真參數(shù)設(shè)定

缸內(nèi)流動(dòng)狀況影響火焰的傳播速度，采用RANGk-ε模型計(jì)算缸內(nèi)的湍流，局部流動(dòng)速度等于平均速度和波動(dòng)速度的疊加。將氫氣的噴射設(shè)置為單位質(zhì)量流量。初始參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，主要邊界條件是：活塞溫度550 K，汽缸壁溫度450 K，汽缸蓋溫度420 K。仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.01 ℃A。

仿真時(shí)，采用節(jié)氣門全開的方式，當(dāng)燃空當(dāng)量比從0.6增大到1.0，選取轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，點(diǎn)火提前角在-14°～4° BTDC(before top dead center)，計(jì)算熱力學(xué)參數(shù)和反應(yīng)基元濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。

1.4 模型驗(yàn)證

采用仿真模型計(jì)算得到的NOx排放數(shù)值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)[16]有較好的吻合度，如圖2所示。仿真得到的NOx排放略低于試驗(yàn)值，最大誤差為11.06%。仿真得到的燃燒速度比試驗(yàn)的更快，這和國外的研究成果一致，也是造成誤差的主要原因。

2 結(jié)果與討論

基于上述的仿真模型，仿真研究了不同燃空當(dāng)量比的燃燒和排放特性。

2.1 缸內(nèi)壓力和溫度的變化

圖3和圖4是不同燃空當(dāng)量比下的缸內(nèi)壓力以及缸內(nèi)平均溫度的曲線。由圖可知，燃空當(dāng)量比為0.6時(shí)，最大爆發(fā)壓力為5.08 MPa，最高平均溫度為2 264 K；而燃空當(dāng)量比為1.0時(shí)，最大爆發(fā)壓力為6.32 MPa，最高平均溫度為2 916 K。

隨著燃空當(dāng)量比的增大，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和缸內(nèi)平均溫度的峰值持續(xù)增大，最大壓力和缸內(nèi)溫度峰值上升也更為迅速。說明氫氣濃度增大時(shí)滯燃期和燃燒持續(xù)期更短，這使得壓力升高過程中缸內(nèi)工質(zhì)的等容度更高，有利于提高氫燃料內(nèi)燃機(jī)的效率。同時(shí)，迅速地燃燒放熱產(chǎn)生的缸內(nèi)高溫必然會(huì)導(dǎo)致大量的NOx排放。

2.2 NO的變化規(guī)律

NOx包含NO，NO2和N2O等成分，其中NO占主導(dǎo)地位。研究表明，整個(gè)高負(fù)荷區(qū)，NO占全部NOx排放的97%以上，是氫燃料內(nèi)燃機(jī)NOx排放的主要組成部分[17]。本文主要分析NO的生成規(guī)律。以下通過分析火焰?zhèn)鞑ァ囟茸兓蚇O分布來揭示NO的生成過程以及產(chǎn)生機(jī)理。

圖5給出了汽缸內(nèi)OH分布隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。云圖采用了與活塞平行和垂直的2個(gè)平面組合，以更好地顯示濃度的空間分布。OH基是氫氧反應(yīng)的主要中間基元，根據(jù)其濃度可知火焰的位置和強(qiáng)度。由圖5可知，在火焰迅速發(fā)展的快速燃燒期(3～10 ℃A)，火焰前鋒面內(nèi)的OH濃度隨著火焰的傳播不斷增加，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3.6%，遠(yuǎn)高于其后方的已燃區(qū)。

圖6給出了溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。由于氫氣的迅速燃燒和放熱，火焰前鋒面內(nèi)的溫度也明顯高于其后部的已燃區(qū)。火焰前鋒面局部溫度達(dá)到3 500 K，而在其后方的已燃區(qū)，由于高溫高壓氣體的膨脹，溫度迅速降低到2 900 K左右。

圖7給出了NO分布隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。高溫造成了很高濃度的NO生成。火焰前鋒面內(nèi)NO濃度達(dá)到了極高的9%，而在已燃區(qū)內(nèi)NO局部濃度迅速降低至3%。NO對(duì)溫度非常敏感，溫度大幅度下降造成已經(jīng)產(chǎn)生的NO部分分解。在快速燃燒結(jié)束后(10～15 ℃A)，由于放熱基本結(jié)束，整個(gè)汽缸內(nèi)充滿了已燃?xì)怏w，火焰前鋒面消失后，極高濃度的NO區(qū)域消失。整個(gè)汽缸內(nèi)氣體逐步膨脹，溫度持續(xù)降低，由于不同區(qū)域的溫度差異不斷減小，NO的濃度差異減小，汽缸內(nèi)各個(gè)區(qū)域的NO濃度都在不斷降低，汽缸內(nèi)的NO總量不斷減小。

2.3 不同燃空當(dāng)量比下NO濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

圖8給出了不同燃空當(dāng)量比下汽缸內(nèi)NO總體積分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。由圖可知，在高負(fù)荷區(qū)，NO的最終排放濃度均在1.5‰以上，在燃空當(dāng)量比為0.8時(shí)，NO最終排放濃度出現(xiàn)6.424‰的峰值。高負(fù)荷的NO排放甚至高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。

由圖8可知，在不同燃空當(dāng)量比下NO質(zhì)量隨曲軸變化的規(guī)律略有不同：燃空當(dāng)量比為0.6～0.7時(shí)，汽缸內(nèi)的NO體積分?jǐn)?shù)在快速燃燒期急劇增大，在快速燃燒結(jié)束后，NO體積分?jǐn)?shù)略有下降，這說明缸內(nèi)溫度降低造成的NO分解并不顯著。燃空當(dāng)量比為0.8～1.0時(shí)，汽缸內(nèi)的NO總量隨火焰發(fā)展而急劇增大，在快速燃燒結(jié)束時(shí)出現(xiàn)很高的峰值，隨即迅速下降，然后NO總量的下降趨勢(shì)變緩，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的NO分解是顯著和無法忽視的。

結(jié)合圖 4分析可知，快速燃燒期結(jié)束后的NO分解和溫度的降低緊密相關(guān)。在缸內(nèi)平均溫度降低至2 200 K時(shí)，NO的分解接近停止，NO體積分?jǐn)?shù)基本保持不變。高濃度混合氣體產(chǎn)生很高的燃燒溫度和汽缸內(nèi)平均溫度，2 916 K@燃空當(dāng)量比1.0；2 264 K@燃空當(dāng)量比0.6。從缸內(nèi)最高溫度降低至2 200 K的時(shí)間增大，因而NO的分解更加顯著。這是高負(fù)荷時(shí)快速燃燒結(jié)束后NO濃度的下降趨勢(shì)更為明顯的主要原因。

2.4 NO生成路徑及生成率

先前的研究認(rèn)為，熱NO路徑、NNH-NO路徑、N2O-NO路徑是氫燃料內(nèi)燃機(jī)NO生成的3種主要路徑[18-20]，在不同燃空當(dāng)量比時(shí)，3種路徑的貢獻(xiàn)率如圖9所示。

由圖9可知，熱NO對(duì)排放的貢獻(xiàn)率最高，在燃空當(dāng)量比為0.6時(shí)其貢獻(xiàn)率為75.8%，而燃空當(dāng)量比為1.0時(shí)達(dá)到了123.9%；N2O-NO和NNH-NO的貢獻(xiàn)也比較重要，在燃空當(dāng)量比為0.6時(shí)，二者的貢獻(xiàn)率之和為24.2%，隨著濃度和溫度的升高，二者的貢獻(xiàn)率降低，在燃空當(dāng)量比為1.0時(shí)，二者的貢獻(xiàn)率之和為-23.9%。

NO的最終排放取決于快速燃燒的生成和溫度下降的分解兩種作用，N2O-NO和NNH-NO兩種路徑的反應(yīng)速率低于熱NO路徑，其逆向反應(yīng)在燃空當(dāng)量比為1.0時(shí)進(jìn)行的時(shí)間很長(zhǎng)而逆反應(yīng)開始時(shí)NO的濃度很高，這兩種路徑對(duì)NO的分解作用大于生成作用，因而對(duì)NO排放的貢獻(xiàn)率為負(fù)值。

3 結(jié) 論

1)隨著燃空當(dāng)量比的增大，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和缸內(nèi)平均溫度的峰值持續(xù)增大，上升也更為迅速，說明氫氣濃度增大時(shí)滯燃期和燃燒持續(xù)期更短，有利于提高氫燃料內(nèi)燃機(jī)的效率。

2)在快速燃燒期(3～10 ℃A)，火焰前鋒面內(nèi)的OH濃度和溫度均明顯高于其后部的已燃區(qū)，高溫加快了NO生成，火焰前鋒面內(nèi)NO濃度也達(dá)到了最大值9%。在快速燃燒結(jié)束后(10～15 ℃A)，汽缸內(nèi)氣體逐步膨脹，溫度持續(xù)降低，NO濃度不斷降低。

3)在高負(fù)荷區(qū)，NO最終排放濃度均在1.5‰以上，燃空當(dāng)量比為0.8時(shí)，NO最終排放濃度出現(xiàn)6.424‰的峰值量。在火焰前鋒面內(nèi)，NO具有極高的濃度，隨著已燃區(qū)氣體的膨脹和溫度的降低，已燃區(qū)內(nèi)NO的濃度也迅速降低，部分NO分解，降溫過程越長(zhǎng)，NO分解越多。

4)熱NO，NNH-NO和N2O-NO等3種路徑對(duì)最終NO排放的貢獻(xiàn)率隨負(fù)荷變化。熱NO的貢獻(xiàn)率最高，燃空當(dāng)量比為0.6時(shí)其貢獻(xiàn)率為75.8%，而燃空當(dāng)量比為1.0時(shí)達(dá)到了123.9%，NNH-NO和N2O-NO在燃空當(dāng)量比為0.6時(shí)貢獻(xiàn)率之和為24.2%，但在燃空當(dāng)量比為1.0時(shí)的貢獻(xiàn)率之和為負(fù)值。

本文采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法得到了3種路徑在不同負(fù)荷下對(duì)NO生成的貢獻(xiàn)率，初步揭示了氫燃料內(nèi)燃機(jī)NOx生成的機(jī)理。后續(xù)工作可繼續(xù)在此化學(xué)反應(yīng)機(jī)理下提高模型精度，以便得到更準(zhǔn)確的NO生成路徑及其貢獻(xiàn)率。

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Characteristics and mechanism of NOxemission of hydrogen fueled internal combustion engine

ZHU Hairong， GENG Zewei， LIU Qinggang， PENG Peiying

(School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China)

In order to deeply study the NOxformation mechanism of hydrogen fueled internal combustion engine (HICE), a hydrogen fueled internal combustion engine CFD simulation model including three-dimensional gridding coupling detailed chemical reaction mechanism is built based on CONVERGE software, and the combustion and emission characteristics of hydrogen fueled internal combustion engine under different loads are researched. The simulation result is consistent with the experimental data. The simulation results show that the increasing concentration of hydrogen is beneficial to improving the efficiency of hydrogen fuel internal combustion engine. The large amount of NO generates in the rapid combustion period, the total amount of NO decreases constantly after the rapid combustion period, and the total amount of NO tends to be stable when the average temperature is below 2 200 K. NO is generated mainly through three paths including thermo NO, NNH and N2O, and the thermo NO path contributes a large proportion of total NO emissions, whose contribution ratio increases with the increase of fuel-air equivalence ratio. NNH and N2O contribute about 25% of total NO emissions at lower concentrations, while when fuel-air equivalence ratio is 1.0, the sum of the contributions of these two paths to NO generation is negative. The contribution ratios for NO generation of three paths under different loads are obtained using chemical reaction kinetics method, which can reveal the NOxgeneration mechanism of hydrogen fuel internal combustion engine and establish the theoretical foundation for subsequent study.

internal combustion engine engineering; hydrogen fueled internal combustion engine; detailed mechanism; NOxemission; reaction path; contribution ratio

1008-1542(2017)06-0530-06

10.7535/hbkd.2017yx06004

TK464

A

2017-09-09；

2017-10-28；責(zé)任編輯：馮 民

國家自然科學(xué)基金(51706058)；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(QN2016056)；河北科技大學(xué)五大平臺(tái)開放基金(PT2015022)

朱海榮(1979—)，女，河北廊坊人，講師，博士，主要從事內(nèi)燃機(jī)燃燒、熱負(fù)荷與熱疲勞方面的研究。

劉慶剛副教授。E-mail:qgliu81@163.com

朱海榮，耿澤偉，劉慶剛，等.氫燃料內(nèi)燃機(jī)NOx排放特性及機(jī)理[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017,38(6):530-535.

ZHU Hairong，GENG Zewei，LIU Qinggang，et al.Characteristics and mechanism of NOxemission of hydrogen fueled internal combustion engine[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(6):530-535.