摻氫天然氣HCCI發動機燃燒特性數值模擬研究

李岳林，沈嘉誠

（長沙理工大學，長沙 410114）

近年來，學者們除了尋求新的清潔可替代燃料降低現有傳統汽油機油耗和排放[1]外，還對發動機的燃燒方式進行了改良，以滿足更加嚴格的排放法規。HCCI是一種新型的發動機燃燒模式，它與傳統的壓燃式（CI）柴油機與火花點燃式（SI）汽油機在一定程度上有相似之處但又有所不同[2]，即著火時缸內出現多個共同燃燒的點，無明顯的火焰前鋒，而且燃燒速度快、效率高、燃燒溫度相對較低，分布較為均勻，NOx排放也相對較低[3]。氫氣摻入對天然氣發動機的燃燒和排放等各方面有較大的影響，主要影響有著火時刻、缸內溫度、缸內壓力、NOx和CO2的排放[4-5]，所以在石油資源不斷枯竭和溫室效應日益嚴重的今天，摻氫天然氣HCCI結合了清潔、可替代燃料和新型燃燒方式的優勢，具有很好的應用前景。

氫氣作為天然氣燃料的添加劑，可以降低運行成本[6]，改變天然氣HCCI發動機的點火時刻，提高天然氣HCCI發動機的燃燒動力性能[7-8]。PORPATHAM等[9]最先在AVL單缸機上對摻氫天然氣燃料的燃燒進行了研究，試驗表明摻氫可以使點火提前角推后，從而使火焰溫度下降，可減小NOx排放。汪碩峰等[10]在一臺加裝了電控氫氣噴射系統的發動機上就進氣摻氫體積分數對發動機性能的影響進行了試驗研究，結果表明，摻氫后發動機熱效率升高，發動機循環變動降低。對摻氫天然氣均值壓燃發動機燃燒特性的研究還不是很充分，本文將在摻氫體積比為5%時，就不同運轉參數對燃燒特性的影響進行研究。采用控制變量法研究了4個不同運轉參數（表1）的變化（轉速、過量空氣系數以及進氣溫度與壓力）對摻氫天然氣HCCI發動機燃燒特性的影響，為實際改善摻氫天然氣HCCI發動機的燃燒動力性、經濟性和降低污染物排放提供理論依據。

表1 不同運轉參數

1 模型建立

1.1 反應機理

運用Chemkin對摻氫天然氣HCCI發動機缸內燃燒過程進行數值模擬，需要導入相應的重整反應機理與燃料燃燒化學動力學機理。在 Chemkin模擬計算中，選擇天然氣研究所 （Gas Research Institute，GRI）Mech 3.0化學反應機理[11]，其包括53種物質，325個基元反應式，有 C1反應、C2反應、甲醛和 NOx形成機理以及N化學機理。

1.2 控制方程

采用封閉內燃機燃燒的反應器來模擬HCCI條件下天然氣與氫氣的混合燃燒特性。假設混合氣為理想氣體，缸內的混合氣工質處于密封的狀態、無氣體泄露。

根據理想氣體狀態方程，壓力可以表示為：

式中：ρ為密度，kg/m3；R為比例常數；T為理想氣體的熱力學溫度，為混合氣的平均摩爾質量，kg/mol。

控制方程可以看作一個由Yk和T組成的k+1個未知數的一階非線性方程組：

式中：v為比容，m3/kg；ek為混合氣中第k種組分的內能為混合氣中第k種物質的量變化率，mol/(m3·s)；Wk為混合氣中第k種物質的摩爾質量，kg/mol；m為混合氣總質量，kg；V為系統的容積，m3；Yk為混合氣中第k種物質的質量分數；cv,k為混合氣中第k種組分的比熱容，J/(kg·K)。

1.3 幾何模型

圖1為發動機單缸幾何模型示意圖，其中虛線面積為掃氣容積。在均質燃燒模型中，一般采用掃氣容積來表示時間函數，則時間函數隨曲柄轉動角度變化。

圖1 發動機單缸幾何模型

壓縮比表示為：

式中：D為缸徑，m；LA為曲軸半徑，m；VC為余隙容積，m3。

發動機連桿與曲軸半徑的比值表示為：

式中：LC為發動機連桿長度，m。

曲軸轉角速率表示為：

式中：θ為曲軸轉角，rad；t為時間，s。

根據式（3）～（5）可以得到發動機氣缸掃氣容積隨壓縮比、發動機連桿和曲軸轉角變化的函數方程：

式中：V(t)為t時刻時的氣缸容積。將式（6）對時間t進行求導，可得到發動機氣缸掃氣容積的變化率為：

聯立方程組式（2）和式（7）可計算出HCCI發動機燃燒過程中的壓力、溫度以及各物質組分摩爾分數的變化。

1.4 傳熱模型

將進氣門關閉作為計算起始點，放熱率如式（8）所示。

式中：m為缸內工質物質的量，mol；u為氣體內能，J；?為曲柄轉角，rad；QW為傳給缸壁的熱量，J。

采用Woschni經驗公式計算HCCI發動機傳給缸壁的熱量：

式中：QW為傳給缸壁的熱量，J；As為有效傳熱面積，m2；T為工質溫度，K；Tm為缸壁溫度，K。傳熱系數h定義為：

式中：B為缸徑，m；P為缸內壓力，Pa；T為缸內溫度，K。

2 模型驗證

為了對建立的模型進行驗證，在搭建好的HCCI發動機燃燒模型仿真平臺上，對摻氫體積比為5%的天然氣HCCI過程進行數值模擬。以ZS195非增壓水冷直噴式天然氣發動機的結構參數作為幾何模型的初始輸入參數（表2）。

表2 ZS195結構參數

模擬燃空當量比為0.3、進氣溫度為442 K、進氣壓力為0.1 MPa、壓縮比為17.8、轉速為1000 r/min時的發動機缸內壓力值和缸內溫度值，并將模擬得到的數值分別與試驗值進行對比驗證。

試驗用發動機以ZS195發動機為原型，進行優化改進。天然氣與氫氣混合氣按比例預先在高壓氣瓶中混合，以噴入氣缸。摻氫天然氣HCCI發動機試驗采用KN-2電加熱器加熱，Pt100熱電偶測量進氣溫度，缸內壓力信號傳感器采用Kistler 6052A，曲軸信號傳感器采用Kistler 2613B，信號放大器為Kstler 5019B，燃燒分析儀為Kistler 2893 KiBox，尾氣分析儀采用Horiba MEXA-7100DEGR。模擬得到的缸內壓力值、缸內溫度值和NOx排放值分別與試驗值對比，如圖2～4所示。由圖可知，數值模擬計算得出的缸內壓力值與試驗值誤差為6.32%，缸內溫度值誤差為3.68%，NOx排放誤差值為3.16%。這表明建立的燃燒模型可以較為準確地對摻氫天然氣HCCI發動機的燃燒過程進行數值模擬。

圖2 缸內壓力對比曲線

圖3 缸內溫度對比曲線

圖4 NOx摩爾分數對比曲線

圖5和圖6是在轉速為1000 r/min，進氣壓力為0.1 MPa，過量空氣系數為2，進氣溫度為460 K的運行工況下，模擬計算得到摻氫體積比為0%、2%和5%時的摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程的缸內溫度與壓力變化曲線。

3 模擬結果分析

3.1 不同摻氫比對燃燒特性的影響

圖5 不同摻氫比下缸內壓力變化曲線

由圖5和圖6可知，隨著摻氫體積比的增大，HCCI發動機著火時刻隨著摻氫比的增大而不斷提前，但提前的幅度有所降低。這是因為氫氣的燃燒速度比天然氣快。缸內最大壓力升高，缸內最高溫度也升高。這是因為氫氣燃燒速率快，加快了摻氫天然氣混合后燃料的燃燒速率。隨著摻氫比的不斷增大，壓燃著火時刻在不斷提前，著火時的活塞距離發動機氣缸上止點的位置也不斷逼近，所以缸內最大壓力和缸內最高溫度升高。

圖6 不同摻氫比下缸內溫度變化曲線

圖7是在當前運轉參數下模擬計算得到摻氫體積比為0%、2%和5%的摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程的放熱率變化曲線。

圖7 不同摻氫比下的燃燒放熱率變化曲線

由圖7可知，隨著摻氫比的增大，天然氣HCCI發動機燃燒過程的放熱率逐漸升高。這是因為氫氣的體積熱值高，與天然氣混合后，增大了混合燃料的體積熱值。此外，隨著摻氫比的增大，著火時刻不斷提前，這表明稀摻氫有利于提高天然氣HCCI發動機的燃燒動力性。

圖8是在當前運轉參數下模擬計算得到摻氫體積比為0%、2%和5%的摻氫天然氣HCCI發動機燃燒生成的NOx摩爾分數變化曲線。生成NOx的摩爾分數隨摻氫體積比的增大而升高，這是因為天然氣摻入氫氣混合后燃料的體積熱值增大，提高了HCCI發動機燃燒過程中的缸內溫度與燃燒放熱，而NOx的生成主要受高溫高壓影響，所以摻氫導致天然氣HCCI發動機燃燒過程中的NOx排放量增加。

圖8 不同摻氫比下NOx摩爾分數變化曲線

3.2 轉速對燃燒特性的影響

圖9和圖10是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發動機，在過量空氣系數為2，進氣壓力為0.1 MPa，進氣溫度為460 K的運轉參數下，轉速分別為800 r/min、1000 r/min和1200 r/min時的燃燒過程中缸內壓力和溫度變化曲線。

圖9 不同轉速下缸內壓力變化曲線

圖10 不同轉速下缸內溫度變化曲線

由圖9和圖10可知，隨著轉速從800 r/min增至1200 r/min，摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中的缸內壓力和溫度峰值無明顯變化，但著火時刻有所提前。這是因為轉速的增加使HCCI發動機的活塞上行速度加快，缸內溫度和壓力提高速度加快，導致著火時刻提前，但過大的轉速會使著火時刻過于靠前。

圖11是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發動機在當前運轉參數下，轉速分別為800 r/min、1000 r/min和1200 r/min時的燃燒放熱率變化曲線。由圖可知，隨著轉速的增大，摻氫天然氣HCCI發動機燃燒放熱率無明顯變化，這是由于發動機氣缸內的溫度和壓力最大值無明顯變化所致。

圖11 不同轉速下燃燒放熱率變化曲線

圖12是在當前運轉參數下，轉速分別為800 r/min、1000 r/min和1200 r/min時的NOx摩爾分數變化曲線。隨著轉速的增加，摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中生成的NOx摩爾質量分數降低。這是由于轉速的增加使HCCI發動機的活塞上行速度加快，摻氫天然氣混合燃料燃燒的化學反應時間相對減少，導致NOx的生成量也減少。

圖12 不同轉速下NOx摩爾分數變化曲線

在摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中，增大轉速對缸內的溫度、壓力和燃燒放熱率基本無影響，但過大的轉速會使著火時刻過于靠前；增大轉速致使摻氫天然氣HCCI發動機燃燒生成的NOx量有所降低。

3.3 過量空氣系數對燃燒特性的影響

過量空氣系數選取的值從1.5變化到2.5，摻氫天然氣HCCI發動機缸內工質的組分也隨之發生變化。為保持每次缸內工質的摩爾總數為1，計算出了不同過量空氣系數下缸內工質組分的數值，見表3。

表3 不同過量空氣系數下發動機缸內工質組分數值

圖13和圖14是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發動機，在轉速為1000 r/min，進氣壓力為0.1 MPa，進氣溫度為460 K的運轉參數下，過量空氣系數分別為1.5、2和2.5時，燃燒過程中的缸內壓力和溫度變化曲線。由圖可知，隨著過量空氣系數從1.5增至2.5，摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中缸內溫度和壓力最大值均有不同程度的降低，但著火時刻稍有提前。過量空氣系數從1.5增至2.5的過程中，溫度最大值降低了478 K，壓力最大值降低了1.55 MPa。

圖13 不同過量空氣系數下缸內壓力變化曲線

圖14 不同過量空氣系數下缸內溫度變化曲線

圖15是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發動機在當前運轉參數下，過量空氣系數分別為1.5、2和2.5時的燃燒放熱率變化曲線。過量空氣系數的提高使摻氫天然氣HCCI發動機燃燒放熱率出現明顯的降低。這是因為在保持每次缸內工質的總摩爾數為1不變的情況下，增大過量空氣系數導致缸內工質的混合燃料比重降低，所以缸內混合燃料體積熱值降低，燃燒放熱也變低，缸內壓力和溫度也隨之降低。

圖15 不同過量空氣系數下燃燒放熱率變化曲線

圖16是在當前運轉參數下，過量空氣系數分別為1.5、2和2.5時的NOx摩爾質量分數變化曲線。隨著過量空氣系數的增加，燃燒過程中生成的NOx摩爾分數明顯降低。由于過量空氣系數變大，即缸內空氣質量變大，發動機氣缸內工質的氮氣摩爾分數也隨之變大，致使混合燃料燃燒生成NOx的量變大，但真正起主導作用的是過量空氣系數的增加使發動機氣缸內的燃燒壓力和溫度大幅度降低，導致缸內混合燃料燃燒生成NOx的摩爾分數大大減少，所以結果表現為摻氫天然氣混合燃料燃燒生成NOx的量大幅度降低。

圖16 不同過量空氣系數下NOx摩爾分數變化曲線

在摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中，增大過量空氣系數，可有效降低NOx的排放，但會使發動機氣缸內的溫度、壓力和燃燒放熱率有所降低，同時著火時刻無明顯變化。這體現出摻氫天然氣HCCI發動機稀燃的優勢，可以通過適當降低發動機動力性能來減少NOx的排放。

3.4 進氣壓力對燃燒特性的影響

圖17和圖18是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發動機，在進氣溫度為460 K，轉速為1000 r/min的運轉參數下，進氣壓力分別為0.1 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa時，燃燒過程中的缸內壓力和溫度變化曲線。由圖可知，隨著進氣壓力的提高，摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中的缸內壓力顯著升高，著火時刻提前，但對發動機缸內溫度影響較小。進氣壓力提高0.04 MPa，著火時刻提前了2.0°，缸內壓力最大值提高了3.13 MPa。

圖17 不同進氣壓力下缸內壓力變化曲線

圖18 不同進氣壓力下缸內溫度變化曲線

圖19是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發動機在當前運轉參數下，進氣壓力分別為0.1 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa時的燃燒放熱率變化曲線。由圖可知，隨著進氣壓力的變大，燃燒放熱率也在變大，這是由于發動機缸內壓力增大的緣故。

圖19 不同進氣壓力下燃燒放熱率變化曲線

圖20是在當前運轉參數下，進氣壓力分別為0.1 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa時生成的NOx摩爾分數變化曲線。隨著進氣壓力的增加，摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中生成的NOx摩爾分數增多。這是因為進氣壓力的變大導致發動機缸內溫度略有增長，且NOx排放量受缸內溫度和壓力的影響較大，所以NOx排放量也有所增長。

在摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中，增大進氣壓力，致使發動機缸內壓力和燃燒放熱率明顯提高，著火時刻提前，但對發動機缸內的溫度影響較小；增大進氣壓力使生成NOx的量增多。

圖20 不同進氣壓力下NOx摩爾分數變化曲線

3.5 進氣溫度對燃燒特性的影響

圖21 不同進氣溫度下缸內壓力變化曲線

圖22 不同進氣溫度下缸內溫度變化曲線

圖21和圖22是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發動機，在轉速為1000 r/min，進氣壓力為0.1 MPa，過量空氣系數為2的運轉參數下，進氣溫度分別為440 K、450 K和460 K時的燃燒過程中缸內壓力和溫度變化曲線。由圖可知，隨著進氣溫度的提高，摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中的缸內壓力和缸內溫度都有所提高，著火時刻提前。進氣溫度增加20 K，缸內溫度最大值提高62.7 K，著火時刻提前7.0°。缸內壓力隨著進氣溫度的增加而升高的原因在于，進氣溫度的提高導致燃燒室內燃料的著火時刻提前，即燃料在活塞接近上止點時開始自燃，此時發動機燃燒室內的壓力高。

圖23是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發動機在當前運轉參數下，進氣溫度分別為440 K、450 K和460 K時的燃燒放熱率變化曲線。由圖可知，摻氫天然氣HCCI發動機燃燒放熱率隨著進氣溫度的變大而升高。這是因為進氣溫度的增大使發動機缸內壓力和溫度升高，導致燃燒放熱率增加。

圖23 不同進氣溫度下燃燒放熱率變化曲線

圖24是在當前運轉參數下，進氣溫度分別為440 K、450 K和460 K時的NOx摩爾分數變化曲線。由圖可知，隨著進氣溫度的升高，摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中生成的NOx摩爾分數增多。這是因為進氣溫度的增加導致HCCI發動機缸內溫度升高，而NOx的生成主要受高溫影響，所以NOx的排放量增多。

圖24 不同進氣溫度下NOx摩爾分數變化曲線

在摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中，增大進氣溫度，會使發動機缸內壓力和溫度有所提高，燃燒放熱率有所提升，著火時刻提前，但會導致生成NOx的量增多。改變進氣溫度對控制摻氫天然氣HCCI發動機著火時刻具有積極意義。

3.6 主要基元化學反應對燃燒特性的影響

對CH4凈生成速率影響較大的主要基元化學反應見表4。

表4 對CH4凈生成速率影響較大的主要基元化學反應（k = A·Tb·exp(-E/RT )）

隨著摻氫體積比的不斷增加，天然氣混合燃料化學反應中的自由基O和OH摩爾分數上升，CH4參與的R11和R98基元反應速率也在增加，加快了CH4的分解。因此，隨著摻氫比例的增加，HCCI發動機缸內壓力、缸內溫度和放熱率都在上升。

當轉速不斷增加，卻只有活塞上行速度加快，便不能對CH4參與的基元反應產生較大的影響。因此，隨著轉速的提高，對HCCI發動機缸內壓力、缸內溫度和放熱率影響較小。

過量空氣系數值從1.5變化到2.5，致使摻氫天然氣HCCI發動機缸內工質的組分也隨之發生變化，為保持每次缸內工質的摩爾總數為1，CH4和H2的組分相應下降，導致CH4參與的基元反應總體減少，缸內壓力、缸內溫度和放熱率都隨著過量空氣系數增加而減少。

隨著進氣壓力的提高，單位體積內分子濃度增大，CH4參與的基元反應速率增加，但CH4的總體數量沒變，總體化學能隨進氣壓力不變，只是加速了CH4的分解。因此，進氣壓力的增大對缸內壓力和放熱率產生正比影響，對缸內溫度影響較小。

進氣溫度的升高，反應活化分子數增加，有效碰撞增加，基元化學反應速率加快。因此，隨著進氣溫度的增加，HCCI發動機缸內壓力、缸內溫度和放熱率上升。

對H、O和OH凈生成速率影響較大的主要基元化學反應見表5。

表5 對H、O和OH凈生成速率影響較大的主要基元化學反應（k = A·Tb·exp(-E/RT )）

氫氣的加入導致天然氣混合燃料中的自由基H、O和OH的摩爾分數增加。自由基H、O和OH主要參與的R38、R84基元化學反應速率隨著摻氫體積比的增大而增大。R84基元化學反應速率加快，使自由基H的摩爾分數增多，此后又加快了R38基元化學反應速率，致使自由基O和OH的摩爾分數增加。自由基O和OH的摩爾分數增加，加速了CH4主要基元化學反應。因此，隨著摻氫比例的增加，HCCI發動機缸內壓力、缸內溫度和放熱率上升。

而不同轉速、過量空氣系數、進氣壓力和進氣溫度對生成H、O和OH基元化學反應的影響與上文類似。

對NO和NO2凈生成速率影響較大的主要基元化學反應見表6。

表6 對NO和NO2凈生成速率影響較大的主要基元化學反應（k = A·Tb·exp(-E/RT )）

隨著摻氫體積比的增大，生成NO的摩爾質量分數也隨之增加。這是由于摻氫加快了發動機缸內天然氣的燃燒，致使缸內的溫度和壓力峰值變高，而NO在氮氧化物的排放量中占主導地位，NO的生成受缸內溫度影響較大，主要在高溫高壓的燃燒情況下生成。R179和R186基元化學反應速率隨摻氫比的增加而增加，使生成NO摩爾分數的速度加快。R186基元化學反應是NO2的生成反應，也隨摻氫比的增大而增大。

當轉速不斷增加，導致HCCI發動機的活塞上行速度加快，R179和R186基元化學反應時間相對減少，以至生成NOx的量相應較小幅度地減少。

隨著過量空氣系數的增加，發動機氣缸內的燃燒壓力和溫度大幅度降低，致使缸內NOx基元化學反應減少。

進氣壓力和進氣溫度的增加，致使發動機缸內壓力和溫度升高，R179和R186基元化學反應速率隨之增長，NOx排放增加。

4 結論

（1）在摻氫天然氣HCCI發動機燃燒過程中，增加摻氫體積比，會使發動機缸內壓力、缸內溫度、燃燒放熱率和燃燒生成NOx的量增高，著火時刻提前。

（2）增大轉速對缸內的溫度、壓力和燃燒放熱率基本無影響，但過大的轉速會使著火時刻過于靠前；增大轉速使摻氫天然氣HCCI發動機燃燒生成NOx的量有所降低。

（3）增大過量空氣系數，可以有效地降低NOx的排放，但會使發動機氣缸內的溫度、壓力和燃燒放熱率有所降低，不過著火時刻無明顯變化。

（4）增大進氣壓力使發動機缸內壓力和燃燒放熱率明顯提高，著火時刻提前，但對發動機缸內的溫度影響較小；增大進氣壓力使摻氫天然氣HCCI發動機生成NOx的量增多。

（5）增大進氣溫度，會使發動機缸內壓力和溫度有所提高，燃燒放熱率有所提升，著火時刻提前；增大進氣溫度會使摻氫天然氣HCCI發動機燃燒生成NOx的量增多。