點火提前角對氫發動機NOx排放的影響

卓光鋒，阿俊利

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

前言

生態環境惡化和石油資源短缺是 21世紀世界各國共同面臨的兩個重大問題，尋找替代的清潔能源是人類所做的必然選擇。氫能源以其潔凈性和資源的永久再生性等獨特優勢使得氫燃料汽車的開發與研究正在受到世界各國的青睞。氫燃料發動機的排放產物中既無碳氫燃料燃燒產生的CO、HC和碳煙等有害排放物，也無近年已被公認是引起環境惡化的主要因素之一的CO2，它唯一的有害排放物是NOX[1]，氫可謂是未來汽車的理想燃料。雖然氫氣用作內燃機燃料時排放物只有NOX，但NOX排放量卻很高。本文運用數值模擬與理論分析相結合的方法重點研究點火時刻對氫內燃機 NOX排放特性的影響，為氫內燃機的優化設計提供理論參考。

1 研究對象

本文的研究對象是一臺由嘉陵JH600汽油機改裝而成的四氣門PFI單缸氫發動機，其基本參數為：缸徑94mm、行程85mm、壓縮比6.7、最大功率30KW、最大功率轉速6000rpm。根據該研究對象的實際尺寸和基本參數利用Pro/E建立其三維計算模型。由于該氫發動機的進氣管、燃燒室和排氣管部分的幾何模型關于過氣缸軸線的平面對稱，為簡化計算，該研究的計算模型只取其中一半。

本文數值模擬計算中，燃燒模擬進行一個工作循環，從進氣門打開開始計算，到下個循環進氣門打開結束。定義發動機進氣上止點為360°CA,燃燒上止點為720°CA。其具體配氣相位如下：氣門重疊期為：351°CA-394°CA、進氣階段為：394°CA-634°CA、壓縮做功階段為：634°CA-866°CA、排氣階段為：866°CA-1071°CA。

為了確保計算的精簡、快速，對每個過程都進行了單獨的定義，并對進排氣口、氣門和氣門座附近進行了局部細化。本文在模擬時考慮了初始條件和邊界條件對工質的影響。本次模擬計算時所采用的初始條件與邊界條件均來自于經驗值。初始條件缸內初始溫度950K，缸內初始壓力0.108MPa。邊界條件為：空氣進口壓力 0.1Mpa、排氣出口壓力為0.106Mpa、進氣道固定壁面溫度為300K、排氣道固定壁面溫度為600K、氣缸壁固定壁面溫度為480K、活塞移動壁面溫度為600K。

2 模擬方案

合理的點火正時是改善氫發動機性能和抑制異常燃燒的礎，點火提前角的設定對氫發動機的排放有著重要的影響。氫發動機有害排放物中只有 NOX，其中對環境影響最大的是NO和 NO2，氫發動機排氣中的NOX污染，主要是指NO及NO2污染，其中NO2的含量比NO低得多，大約為5%左右，所以氫發動機NOX排放的研究主要指NO。而氫發動機排氣中的NO基本上指高溫NO，它的反應只有在大于1600℃的高溫下才能進行[2]。

本文選取的發動機轉速為 4500r/min，單孔單次噴射，噴孔位置在進氣歧管的鼻梁上。固定噴氫時刻為 414°CA。選取氫發動機的點火時刻為研究對象，設置點火時刻為 695°CA、700°CA、702.5°CA、705°CA，研究點火時刻對氫發動機排放特性的影響。

3 結果分析

3.1 不同點火時刻對缸內壓力與溫度的影響

圖1 不同點火時刻缸內壓力變化曲線

圖2 不同點火時刻缸內燃燒溫度變化曲線

由圖1可以看出隨點火提前角的增大，缸內壓力峰值逐漸增大，且壓力峰值出現的時刻也逐漸提前。隨著點火時刻的提前，在活塞到達上止點前氣缸內參與燃燒的燃料的量增大，在點火初期，缸內氣體正處于壓縮的末期，此時缸內的氣流流動較強，氫氣和空氣的混合強度較高，湍流強度較大，而湍流強度與火焰傳播速率呈線性關系，混合氣燃燒速率會加快，從而發動機的定容程度高，熱功轉換效率提高，所以缸內氣體壓力伴隨著壓力峰值的提前，氣體燃燒壓力逐漸增大。

由圖2可知，以點火時刻695°CA為例。缸內溫度曲線隨曲軸轉角先升高后降低。缸內溫度隨壓縮溫度逐漸升高，經過短暫的滯燃期，缸內燃料開始燃燒氣缸內溫度升高率增大，與壓縮溫度分離并逐漸增大，直至最高燃燒溫度曲軸轉角在747°CA達到1943K，此時燃燒室主要容積已被火焰充滿，混合氣燃燒速率開始降低，加上活塞向下止點加速移動，氣缸溫度開始下降。且隨點火時刻的提前，燃料燃燒放熱的始點提前，燃燒的定容度增大，由此導致火焰傳播速度提高，燃燒速度加快，燃料的放熱率峰值越來越靠近上止點。此外，隨著點火時刻提前，傳熱損失減小，因此缸內燃燒溫度峰值呈增加的趨勢。

3.2 點火提前角對NO排放的影響

圖3 不同點火時刻下NO質量分數

如圖3所示當空燃比一定時，隨點火提前角增大，NO質量分數逐漸增大。增大點火提前角使較大部分的燃料在壓縮上止點前燃燒，導致缸內最高爆發壓力增大，缸內燃燒溫度隨之增大，而且隨著點火提前使得已然氣體在高溫下停留的時間加長，這兩個因素都會導致NO排放量的增大。因此延遲點火有利于有效地降低NO的排放。

4 結論

本文通過數值模擬與理論研究相結合的方法，研究了點火時刻對NO排放的影響，由上文分析可以清楚地看出：點火提前角是影響NO排放的重要運轉參數，推遲點火可以有效地降低氫發動機NO的排放。

[1] 楊振中.氫燃料發動機燃燒與優化控制[D].杭州:浙江大學,2001.

[2] 張翠萍.內燃機排放與控制[M].機械工業出版社.