氫發(fā)動機(jī)低溫燃燒特性的研究?

秦朝舉，楊振中，張衛(wèi)正，宋立業(yè)，原彥鵬

(1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，鄭州 450045； 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

氫發(fā)動機(jī)低溫燃燒特性的研究?

秦朝舉1，2，楊振中1，張衛(wèi)正2，宋立業(yè)2，原彥鵬2

(1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，鄭州 450045； 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

為有效抑制氫發(fā)動機(jī)的早燃和工作粗暴，在氫發(fā)動機(jī)中嘗試應(yīng)用低溫燃燒技術(shù)，建立了低溫燃燒預(yù)測模型，分析了氫發(fā)動機(jī)低溫燃燒特征和實(shí)現(xiàn)機(jī)理。結(jié)果表明：通過增加缸內(nèi)充量中大比熱成分和降低其氧濃度來實(shí)現(xiàn)的低溫燃燒技術(shù)可有效控制氫發(fā)動機(jī)燃燒反應(yīng)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(yīng)變慢，燃燒持續(xù)期延長，燃燒放熱呈現(xiàn)“緩而長”的特點(diǎn)。

氫發(fā)動機(jī)；低溫燃燒；廢氣再循環(huán)；燃燒反應(yīng)

前言

伴隨工業(yè)社會的快速發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)的數(shù)量和應(yīng)用規(guī)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(nèi)燃機(jī)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(jī)和環(huán)境保護(hù)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(guān)注。

氫內(nèi)燃機(jī)作為一種具有燃燒速度快、點(diǎn)火能量低、擴(kuò)散速度快、淬熄距離小、著火界限寬等優(yōu)點(diǎn)的新能源動力裝置，已經(jīng)吸引了諸多研究人員的重視[1-3]。但當(dāng)前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氫內(nèi)燃機(jī)易發(fā)生早燃、回火、工作粗暴和NO排放高等諸多現(xiàn)象，限制了氫內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[3-5]。因此，根據(jù)氫能源的特點(diǎn)，組織設(shè)計適合其燃料特性的燃燒模式，是推進(jìn)氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。

低溫燃燒技術(shù)作為一種近年來普遍應(yīng)用在柴油機(jī)中、以控制排放為目的新型燃燒技術(shù)，主要通過應(yīng)用大比例的廢氣再循環(huán)(EGR)和噴油參數(shù)的調(diào)整，控制預(yù)混合燃燒強(qiáng)度，降低燃燒室內(nèi)氣體高溫，避開NO生成區(qū)域，實(shí)現(xiàn)減排的目標(biāo)[6-12]。結(jié)合當(dāng)前氫內(nèi)燃機(jī)的燃燒問題和低溫燃燒技術(shù)的主要特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，如果在氫內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用低溫燃燒技術(shù)，不僅可以控制氫內(nèi)燃機(jī)的早燃現(xiàn)象，同時還可進(jìn)一步減少NO排放。

本文中根據(jù)前期在氫內(nèi)燃機(jī)研究中累積的成果，對低溫燃燒技術(shù)在氫內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用特點(diǎn)開展了初步研究，建立了氫內(nèi)燃機(jī)低溫燃燒CFD模型，探尋低溫燃燒下的氫內(nèi)燃機(jī)放熱和排放的特點(diǎn)，以便為進(jìn)一步設(shè)計低溫燃燒控制策略和原理樣機(jī)試驗(yàn)研究提供指導(dǎo)。

1 低溫燃燒過程熱力學(xué)分析

可燃混合氣的濃度和溫度是內(nèi)燃機(jī)中燃燒發(fā)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(shí)現(xiàn)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律[7]：

式中：Qin和Qout分別為微小時間間隔內(nèi)的燃燒放熱量和散熱量；ΔU和ΔW分別為缸內(nèi)氣體吸收的內(nèi)能和所做的功；T和T0分別為該時間間隔初始和結(jié)束時刻的缸內(nèi)氣體溫度；ΣmicV，i為混合氣總熱容，下標(biāo)i為表示混合氣成分，cV，i表示相應(yīng)的比熱容；tr為燃燒化學(xué)反應(yīng)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(diǎn)時刻缸內(nèi)氣體壓力、溫度和密度；R為氣體常數(shù)。

仔細(xì)分析上述公式可以發(fā)現(xiàn)，在微小時間間隔內(nèi)，為減小缸內(nèi)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(nèi)工質(zhì)的總熱容、減小燃燒放熱量、加大工質(zhì)的做功能力和增加散熱損失能量。另外，燃燒化學(xué)反應(yīng)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(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)低溫燃燒，從機(jī)理上即能有效抑制過快的燃燒反應(yīng)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(guān)注了EGR率和燃料當(dāng)量比變化對氫內(nèi)燃機(jī)低溫燃燒特性的影響。

2 計算模型

2.1 氫內(nèi)燃機(jī)幾何模型參數(shù)

本文中以某單缸氫內(nèi)燃機(jī)為研究對象，樣機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 氫內(nèi)燃機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 計算網(wǎng)格模型

按照表1中所示的氫內(nèi)燃機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先建立進(jìn)氣結(jié)束時刻燃燒室三維幾何模型。根據(jù)燃燒室結(jié)構(gòu)，在內(nèi)燃機(jī)排氣口關(guān)閉時刻，整個燃燒室被劃分成42 824個計算網(wǎng)格，且全部采用六面體單元。建立動網(wǎng)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(jù)活塞位置生成動網(wǎng)格模型，具體計算網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 燃燒室網(wǎng)格模型

2.3 計算模型與控制方程

采用CFD方法模擬內(nèi)燃機(jī)工作過程，其實(shí)質(zhì)就是通過一定的邊界，對Navies-Stokes方程進(jìn)行數(shù)字求解。基本控制方程組主要為質(zhì)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(tài)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(wěn)定性和收斂性比中心差分更好的MINIMOD Relaxed格式，連續(xù)方程為中心差分格式，能量等方程使用迎風(fēng)格式[13-15]。

2.4 模型有效性的驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，設(shè)計了不同工況下的氫內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對計算模型進(jìn)行了修正和校驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中，采用Kistler 6125壓力傳感器測試缸內(nèi)氣體壓力變化，曲軸和活塞位置通過光電編碼器獲得，節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速同步記錄，試驗(yàn)使用的氫燃料體積分?jǐn)?shù)達(dá)99.9%。計算選用與試驗(yàn)相同的邊界條件，氫內(nèi)燃機(jī)工作過程缸內(nèi)壓力的計算和試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖可見，計算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相同，最大偏差在6%以內(nèi)，可以認(rèn)為，計算結(jié)果能體現(xiàn)氫內(nèi)燃機(jī)的工作情況。

圖2 缸內(nèi)計算壓力與試驗(yàn)壓力對比

3 低溫燃燒計算結(jié)果

當(dāng)前研究中，普遍以控制EGR和缸內(nèi)氣體氧濃度為措施，在柴油機(jī)中實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。本文中仍主要關(guān)注EGR率和當(dāng)量比(氧濃度)變化對氫內(nèi)燃機(jī)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(nèi)燃機(jī)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(nèi)混合氣體壓力變化狀況。由圖可見：隨著EGR率的升高，缸內(nèi)氣體最高燃燒壓力呈現(xiàn)減小的變化趨勢，且最高燃燒壓力出現(xiàn)時刻推遲；另外，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)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(nèi)燃機(jī)的燃燒噪聲。

根據(jù)模型計算所得的不同EGR率下，氫內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)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(nèi)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(nèi)壓力變化對比

圖4 缸內(nèi)溫度對比

燃燒所產(chǎn)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(jié)束后，不同殘余廢氣系數(shù)下，氫內(nèi)燃機(jī)NO所占廢氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.03%，從控制NO排放來看，采用廢氣再循環(huán)有助于控制氫內(nèi)燃機(jī)NO排放。

圖6為采用低溫燃燒技術(shù)后，缸內(nèi)氫燃料燃燒反應(yīng)過程變化狀況。由圖可見，在相同點(diǎn)火邊界狀況下，隨著EGR率的增加，燃燒反應(yīng)速度變慢，著火落后期和燃燒持續(xù)時間延長。

圖5 NO排放物對比

圖6 燃燒反應(yīng)過程曲線

4 氫內(nèi)燃機(jī)低溫燃燒機(jī)理分析

根據(jù)計算結(jié)果可知，采用EGR方式實(shí)現(xiàn)氫內(nèi)燃機(jī)低溫燃燒，能夠有效控制缸內(nèi)氣體壓力變化，減小NO排放，但其控制機(jī)理有待進(jìn)一步明確。

由式(1)～式(4)可知，EGR率升高時，氫內(nèi)燃機(jī)殘余廢氣中H2O等比熱較大的物質(zhì)所占的成分增加，缸內(nèi)氣體氧濃度降低，導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)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(nèi)壓縮溫度上升速度變慢，氫燃料化學(xué)反應(yīng)速率降低，導(dǎo)致著火落后期和燃燒持續(xù)時間延長，后燃期相對變長，整體上看，采用低溫燃燒技術(shù)的氫內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱率呈現(xiàn)“緩而長”的特點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 燃燒放熱率對比

從氫內(nèi)燃機(jī)指示效率來看(如圖8所示)，采用EGR的方式，實(shí)現(xiàn)低溫燃燒后，氫內(nèi)燃機(jī)指示效率明顯降低。因此，針對氫內(nèi)燃機(jī)燃燒過程反應(yīng)速率較快、容易導(dǎo)致早燃及工作粗暴的特點(diǎn)，可以采用低溫燃燒技術(shù)，有效控制燃燒反應(yīng)過程，并減少NO生成物。但是，當(dāng)氫內(nèi)燃機(jī)處于大負(fù)荷工作狀態(tài)時，如果采用不合理的低溫燃燒，可能會使內(nèi)燃機(jī)輸出功率受到影響，此時可從兩個方面來保證內(nèi)燃機(jī)功率的要求：(1)降低EGR率，通過限制性使用低溫燃燒技術(shù)，優(yōu)先保證氫內(nèi)燃機(jī)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(shù)的同時，結(jié)合增壓的方式，通過增加缸內(nèi)充量，來滿足內(nèi)燃機(jī)輸出功率的要求。

圖8 氫內(nèi)燃機(jī)指示效率曲線

5 結(jié)論

本文中針對氫內(nèi)燃機(jī)燃燒反應(yīng)較快的特點(diǎn)，嘗試采用低溫燃燒的方式控制其燃燒反應(yīng)速率，通過建立CFD燃燒模型對氫內(nèi)燃機(jī)采用低溫燃燒技術(shù)后的工作過程性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了氫內(nèi)燃機(jī)采用低溫燃燒技術(shù)后，主要工作性能特性變化規(guī)律，并闡述了低溫燃燒技術(shù)在氫內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用的主要控制機(jī)理。得出結(jié)論如下：

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

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

(3)氫內(nèi)燃機(jī)采用EGR實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，在機(jī)理上主要通過控制H2O等比熱較大的物質(zhì)所占的成分，降低缸內(nèi)工質(zhì)氧濃度，導(dǎo)致工質(zhì)的總熱容增加，進(jìn)而控制燃燒反應(yīng)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(xué)基金(51076046)、河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項目(15A470017)和河南省科技攻關(guān)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