燃燒方式對氫內燃機燃燒和排放的影響研究

段俊法，唐建鵬，張宇，魏巍，李權才

(華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450045)

能源緊張、環境污染和溫室效應成為世界范圍內關注的焦點，傳統內燃機作為汽車的主要動力，不僅消耗大量的化石能源，其廢氣排放還是城市大氣污染的主要來源之一，廢氣中的CO2也是造成溫室效應的重要因素[1-3]。因此，清潔低碳的內燃機替代燃料成為研究熱點。氫氣以其可再生、無污染、無碳排放等特性受到研究者的廣泛關注，被認為是較為理想的內燃機替代燃料[4]。國內外一些汽車廠商如寶馬、福特、馬自達和長安等均已經研制出氫燃料內燃機，并穩定運行。

氫氣具有很高的絕熱燃燒溫度，因而氫發動機在中高負荷時會產生大量的NOx排放[5-6]。孫柏剛、Safari、Subramanian等[7-9]試驗研究發現，當量比大于0.6時氫內燃機產生高濃度的NOx排放，在當量比為0.8左右時NOx排放達到最大值。在低負荷采用稀薄燃燒技術，在高負荷采用當量燃燒技術，都會較好地抑制NOx生成，但會造成動力性下降[10-11]。研究中高負荷下燃燒方式對內燃機動力性和排放的影響，對于氫燃料內燃機性能優化具有重要意義。

本研究以某進氣道噴射氫燃料內燃機試驗樣機為原型，建立內燃機三維實體模型，并耦合較為詳盡的19基元H—O—N反應的機理，得到CFD仿真模型，應用試驗數據對CFD模型進行標定和驗證，基于仿真對比稀薄燃燒和當量燃燒兩種燃燒方式下氫燃料內燃機的燃燒和排放特性。

1 模型的建立及驗證

1.1 氫燃料內燃機

以1臺4缸四沖程進氣道噴射氫燃料內燃機為原型建立三維仿真模型，該內燃機的主要參數見表1。

表1 氫燃料內燃機主要參數

為減少計算量和計算時間，忽略各氣缸之間工作的不一致性，建立僅包含進排氣道、進排氣門、氣缸、活塞以及火花塞等部件的單缸內燃機三維實體模型(見圖1)。將STL格式三維模型文件導入Converge Studio中，經過對模型幾何表面檢測和修復后，把整個模型分為進氣(Region1)、氣缸(Region0)和排氣(Region2)3個區域，并定義各區域邊界類型和邊界條件，生成surface.dat面網格文件。在仿真過程中軟件基于預設的網格生成規則自動生成網格。

圖1 氫內燃機實體模型

計算網格的尺寸決定了計算精度和計算時間。通過設定基礎網格尺寸和不同位置和時刻的網格加密等級，Converge在計算過程中可以自動生成合適的六面體笛卡爾計算網格。Converge中基礎網格尺寸為5～20 mm，分為5個加密等級，加密等級為n的網格邊長為基礎網格邊長的1/2n。本研究選用的基礎網格尺寸為8 mm，在進排氣道以及氣缸內加密等級為2級，溫度、速度自適應加密等級為4級，火花塞附近及火焰前鋒面加密等級為5級。經計算驗證，設定的網格尺寸和加密等級在保證計算精度的同時大大縮短了計算時間。

1.2 燃燒模型

本研究采用的燃燒模型是耦合了化學反應機理的SAGE模型，該模型允許使用Chemkin格式化的化學反應動力學機理文件，該文件格式是化學反應機理文件的標準格式。本研究采用的化學反應機理是GRI_3.0機理的H—O—N反應子機理，該機理包含較為詳細的氫氧反應機理，熱NO，NNH—NO，N2O—NO等NO生成機理以及NO2生成路徑機理，共67步可逆基元反應。

耦合了化學反應機理后燃燒模擬計算時間會大大增加，仿真過程中化學反應機理啟動的條件是氫氧反應能夠實現并且燃燒能夠持續。設定當網格內溫度大于氫氣的自燃溫度858 K時啟動化學反應機理。點火模型采用放電點火，點火經歷兩個過程：第一階段內，火花塞電極間產生高壓使電極間的混合氣形成離子通道；第二階段內，火花塞電極之間持續放電產生高溫以保證化學反應機理能夠啟動。

1.3 湍流模型、傳熱模型和仿真參數

本研究采用的RNGκ-ε高雷諾數模型假設流動為完全湍流，適用于完全湍流的流體運動模擬，采用的固體和流體相耦合的共軛傳熱模型具有較高的穩定性和收斂性。仿真時，選取發動機轉速為3 000 r/min，點火提前角在上止點前15°至上止點后2°之間。依據經驗設定活塞、氣缸壁等初始溫度為500 K，火花塞溫度550 K，火花塞電極溫度600 K。

1.4 模型驗證

為保證仿真計算準確和可信，應用已有試驗數據對仿真模型進行了試驗驗證，試驗數據與仿真結果對比見圖2。圖2 示出轉速3 000 r/min，燃空當量比分別為0.6，0.8，1.0時仿真與試驗的缸內壓力對比。由圖2可知，仿真得到的缸內壓力與試驗數據基本吻合，其中仿真計算得到的缸內燃燒壓力的峰值略高于試驗數據。

圖2 缸內壓力仿真與試驗的對比

2 仿真結果與分析

在稀薄燃燒方式下，隨著燃空當量比的增加，負荷率不斷增加；而在當量燃燒模式下，隨著EGR率的增加，負荷率不斷減小。在兩種燃燒模式下，同樣的氫氣體積分數意味著同樣的負荷率。在中高負荷下，稀薄燃燒燃空當量比0.6，0.7，0.8，0.9分別對應當量燃燒EGR率31.9%，23.2%，15%，7.2%。本研究基于仿真對比研究了發動機中高負荷工況時的燃燒和排放特性。

2.1 缸內燃燒特性

OH是氫氧燃燒過程中的重要中間產物， OH濃度及其缸內分布反映了缸內燃燒過程的發展和燃燒劇烈程度。圖3示出不同燃燒方式下燃料燃燒50%時缸內OH分布云圖，所有切片距活塞頂5 mm，垂直于氣缸軸線。

由圖3可知，OH主要分布在火焰前鋒面上，隨著燃空當量比的增大，火焰前鋒面處OH濃度明顯增大，缸內燃燒反應更加劇烈，同時采用當量燃燒模式的火焰前鋒面厚度變小，意味著火焰傳播速度降低。在較低的負荷下(當量比0.6，0.7，對應EGR率31.9%，23.2%)，稀薄燃燒的OH濃度明顯高于當量燃燒，而在較高的負荷下(當量比0.9，對應EGR率7.2%)，兩種燃燒模式的OH最大濃度幾乎相同。

圖3 不同燃燒方式下缸內OH分布云圖

圖4示出不同燃燒方式下的缸內壓力隨曲軸轉角的變化。由圖4可知，燃空當量比為0.9時，在上止點后9.82°出現缸內最大燃燒壓力，為6.92 MPa；而EGR率為7.2%時，在上止點后11.25°出現缸內最大燃燒壓力，為6.63 MPa。燃空當量比為0.6時，在上止點后11.71°缸內最大燃燒壓力為5.59 MPa；而EGR率為31.9%時，在上止點后17.72°缸內最大燃燒壓力僅為4.60 MPa。

相同氫氣量的情況下稀薄燃燒比當量燃燒具有更高的缸內最大燃燒壓力，且當量燃燒出現最大燃燒壓力相位滯后于稀薄燃燒。隨氫氣濃度的減小，稀薄燃燒和當量燃燒的缸內最大燃燒壓力的差值增大，出現最大燃燒壓力的曲軸轉角差值也增大。缸內最大燃燒壓力的下降直接導致氫燃料發動機指示功率降低， EGR率增加越多，指示功率下降越嚴重。

圖5示出不同燃燒方式下的缸內平均溫度。由圖5可知，由于引入熱EGR，廢氣具有一定溫度，所以隨EGR率增加，初始溫度提高。燃空當量比為0.6時，在上止點后11.73°出現缸內最高平均溫度，為2 330 K；而EGR率為31.9%時，在上止點后18.16°出現缸內最高平均溫度，為2 284 K。當量燃燒的缸內最高平均溫度略低于稀薄燃燒，同樣當量燃燒缸內最高平均溫度相位滯后于稀薄燃燒。從圖4和圖5均可看出，隨著EGR率的增大，缸內燃燒的滯燃期和燃燒持續期變長。

2.2 排放特性

理論上氫內燃機的唯一有害排放物是NOx，主要包括NO，NO2，N2O。圖6示出不同燃燒方式下NO濃度隨曲軸轉角的變化。由圖6可知，燃空當量比為0.9時最終NO排放體積分數為5 162×10-6，而EGR率為7.2%的NO體積分數為2 043×10-6。隨著EGR率的增大，廢氣再循環對降低NO排放的作用更加明顯。燃空當量比為0.6時，NO排放體積分數為1 550×10-6， 而EGR率為31.9%的NO排放體積分數已經降至88×10-6。

當量燃燒可以大幅度降低NO濃度。這主要是因為應用EGR技術實現當量燃燒時，混合氣中的氧氣量減少，在相同氫氣供給量的情況下，氫氣相比氮氣具有更高的活性，氧氣優先與氫氣反應，間接抑制了NO的生成。

圖6 不同燃燒方式下NO體積分數對比

圖7示出不同燃燒方式下N2O濃度隨曲軸轉角的變化。由圖7可知，稀薄燃燒時，N2O濃度在快速燃燒期內急速上升，之后隨曲軸轉角增大緩慢下降，最終N2O濃度減小到1×10-6以下。隨燃空當量比的減小，N2O峰值濃度增大，但N2O最大峰值濃度也小于6×10-6。當量燃燒時，在快速燃燒期內有少量的N2O生成，EGR率小于23.2%時，膨脹期內N2O濃度出現緩慢上升，隨EGR率的減小，N2O濃度上升更加明顯，但N2O最終濃度低于14×10-6。

圖7 不同燃燒方式下N2O體積分數

圖8示出不同燃燒方式下NO2濃度隨曲軸轉角的變化。由圖8可知，稀薄燃燒時，NO2在快速燃燒期內迅速增加，隨后增速變緩，最終NO2體積分數低于60×10-6。當量燃燒時，NO2生成量微乎

圖8 不同燃燒方式下NO2體積分數

其微，其最大體積分數小于4×10-6。由圖7和圖8可知，無論是稀薄燃燒還是當量燃燒，NO2和N2O生成都很少，兩者總和小于NOx最終排放的2%。

3 結論

a) 相同氫氣量下稀薄燃燒比當量燃燒更加劇烈，當量燃燒缸內平均溫度略低于稀薄燃燒，壓力出現明顯下降，隨著EGR率增大，下降趨勢更加明顯，這表明當采用較大EGR率會引起內燃機指示功率明顯下降；

b) 相比于稀薄燃燒，相同氫氣量下當量燃燒能夠有效地降低NOx排放；

c) 在高負荷(燃空當量比大于0.8)時采用當量燃燒可以在保證動力性的前提下大幅度降低NOx排放；在中等負荷(燃空當量比為0.6～0.8)時，采用稀薄燃燒可以獲得較好的動力性，但會有較高的NOx排放，采用當量燃燒能夠降低NOx排放但會犧牲內燃機動力性；因此在中等負荷時可以采用較低的EGR率，在保證一定的動力性的前提下有效降低NOx排放。