中低轉速下不同EGR率對氫燃料發動機性能的影響*

劉永輝　楊振中　付玉生　運紅麗

摘 要：以一臺由汽油機改裝而成的點燃式單缸氫發動機為研究對象，研究了不同廢氣再循環率對氫發動機燃燒和排放特性的影響。研究結果表明：隨著廢氣再循環率的升高，缸內的溫度和壓力降低，滯燃期和燃燒持續期增加，燃燒放熱重心后移，缸內NO_x排放有明顯的降低。關鍵詞：氫發動機;EGR;燃燒;NO排放中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-15-03

Abstract： Taking a ignited single-cylinder hydrogen engine modified by a gasoline engine as the research object， the effects of different exhaust gas recirculation rates on the combustion and emission characteristics of hydrogen engines were studied. The results show that with the increase of exhaust gas recirculation rate， the temperature and pressure in the cylinder decrease， the retardation period and combustion duration increase， the center of combustion exotherm shifts， and the NO_x emission in the cylinder decreases significantly.Keywords： Hydrogen engine; EGR; combustion; NO emissionCLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-15-03

前言

當今世界正面臨著能源短缺和環境污染兩大嚴峻的問題，因此開發清潔無污染的替代能源已成為一種必然的趨勢。氫氣以其所需點火能量低、著火界限寬、火焰傳播速度快等一系列優點而備受各國科學家的青睞^[1-3]。同時氫燃料的燃燒產物相較石油燃料十分清潔，不會產生CO、HC這些對環境極為破壞的污染物。但是，氫燃料發動機在高溫下也會產生一定量的NO_X，從而對大氣環境產生污染。因此在保證氫發動機動力性和經濟性的同時又能夠降低排氣中的NO_x是當前所需要解決的一個重要問題。目前，所采用的降低NO_x的方法主要有向氣缸內灑水、推遲點火、改變燃燒方式、采用EGR等^[4]。相較而言，由于EGR具有降低NO_x的效果更為顯著，而且結構簡單，操作方便，無需對原發動機進行較大改動等諸多優點，因此被廣泛應用。

1 研究對象與研究方案

1.1 研究對象

本文的研究對象是在一臺由嘉陵JH600汽油機改裝而成的四氣門點燃式單缸氫發動機，發動機的具體參數如下：缸徑為94mm、行程為85mm、壓縮比為6.7、最大扭矩為51N.m，最大扭矩轉速為4500 rpm，最大功率30Kw、最大功率轉速6000rpm。

鑒于考慮到氫燃料的一些基本特性。因此本文在研究時對其燃燒模型特做出以下幾點假設：（1）暫不考慮氣缸內各點的溫度和壓力分布的微小差異;（2）發動機氣缸內混合氣的狀態視為均勻混合;（3）對于進氣中的溫度和壓力波動的影響暫不考慮;（4）氣缸視為完全密封狀態，且缸內的工質在封閉過程中沒有發生泄露^[5]。

1.2 研究方案

為了進一步提高仿真模擬結果的精確度，本次模擬時考慮了初始條件和邊界條件對工質的影響。其中初始條件和邊界條件的具體參數設置如下：對于初始條件缸內初始溫度為950K， 缸內初始壓力設為0.106MPa。邊界條件分別設為：空氣進口壓力0.1Mpa、排氣出口壓力為0.105Mpa、進氣道壁面溫度設為300K、排氣道壁面溫度為600K、活塞壁面溫度為600K。

氫發動機的噴射方式主要分為缸內直噴和進氣道噴射，對于進氣道噴射方式而言，由于其增加了氫氣和空氣混合氣的混合時間，使得混合氣能夠混合的更加均勻，基于此本次模擬采用進氣道噴射方式，其中定義發動機進氣上止點為360°CA，燃燒上止點為720°CA。發動機的轉速選擇為城市道路工況典型的2000r/min，噴氫時刻固定為394°CA，噴氫壓力定為3bar，點火時刻固定為702°CA，當量比設為0.84，EGR率分別取0、5%、10%、15%、20%，研究中等負荷工況下不同EGR率對氫發動機燃燒和排放特性的影響。

2 模擬結果與分析

2.1 EGR率對缸內溫度和壓力的影響

從圖1中可以看出隨著EGR率的增大，缸內的溫度呈現逐步降低的趨勢，當EGR率分別加入0、5%、10%、15%、20%時，缸內的最高溫度分別為2740K、2680K、2580K、2160K、1990K。當EGR率小于10%時，缸內溫度呈現小幅度下降。而當EGR率大于10%時，缸內的溫度降低顯著。同時可以看出隨著EGR率的增大，燃燒重心后移，燃燒持續期也隨之增大。分析其原因主要是EGR的加入，使缸內混合氣的惰性氣體量增加，進一步降低了缸內氧氣的濃度。同時缸內火焰傳播速度降低。

由圖2中可以看到當氣缸內加入EGR的量逐漸增大時，缸內的壓力也呈現降低的趨勢。當EGR率較小時，缸內的壓力變化曲線下降幅度較小，當EGR率較大時，壓力出現大幅度下降的趨勢。分析其原因主要是由于壓力的變化對少量的EGR率敏感性較低。而隨著EGR率的持續增大，其敏感性也隨之增大。

2.2 EGR率對NO生成的影響

從圖3中可以看出，缸內NO質量分數呈現出隨著EGR率的增大逐步降低的趨勢。無EGR時，缸內NO質量分數為0.0053，當EGR率分別為5%、10%、15%時NO的質量分數分別為0.0037、0.0021、0.00017相較于無EGR，分別下降了30.1%、60.3%、96.7%。分析其原因：首先NO的生成條件主要與缸內高溫、富氧以及反應時間相關。EGR的加入由于降低了氧氣的濃度，同時又由于廢氣中的惰性分子一定程度上阻礙了抑制了燃燒的化學反應速率，使得缸內溫度降低，因此缸內的NO呈現出降低的趨勢。當EGR率較小時，NO降低效果并不明顯，主要是由于小EGR率條件下，其少量的EGR廢氣對缸內混合氣的濃度的稀釋作用較小，同時少量的高溫EGR廢氣還能夠改善缸內氣體的燃燒，這樣EGR對抑制燃燒和促進燃燒的作用相差不大^[6]，因此NO相較于無EGR變化較小。而當EGR率較大時，過多的廢氣使得缸內氣流運動減弱，混合氣濃度降低效果顯著，進而影響了火焰的傳播速度。EGR抑制缸內燃燒的作用占據主導。因此缸內的NO質量分數有了顯著的降低。

3 結論

EGR對發動機氣缸內燃燒狀況影響深遠，特別是對降低NO_x排放有著顯著的作用，但是如果EGR率加入不當，也會對發動機產生不利影響。合理組織適當的EGR率可以有效改善缸內燃燒狀態，在保證發動機滿足動力性和經濟性的同時，進一步降低NO_x排放。

參考文獻

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