中高轉速下不同EGR率對氫發動機性能的影響研究

秦智超　楊振中　孫永生

摘 要：文章通過對中高轉速（4500rpm）氫發動機進行CFD模擬，研究不同EGR率對燃燒性能及排放性能的影響。結果表明：相同負荷下EGR率增加對缸內燃燒進程影響明顯，最高壓力、溫度減小，發動機動力性能降低，NOx排放降低顯著，進一步增加EGR率會導致反應期滯后嚴重，甚至無法完全燃燒，嚴重影響發動機的功率輸出，因此在不同工況下對EGR率的選取十分重要。關鍵詞：數值模擬;氫燃料發動機;廢氣再循環;燃燒排放性能中圖分類號：U464? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-49-03

Abstract： In this paper， the CFD simulation of a medium and high speed （4500rpm） hydrogen engine is carried out to study the effects of different EGR rates on combustion performance and emission performance. The results show that the increase of EGR rate under the same load has obvious influence on the in-cylinder combustion process， the maximum pressure and temperature decrease， the engine power performance reduces， and the NOx emission decreases significantly. Further increase of EGR rate will lead to lag in the reaction period or even incomplete combustion seriously. what's more， the power output of the engine is reduced seriously， so the selection of the EGR rate is very important under different working conditions.Keywords： Numerical simulation; Hydrogen-fueled engine; EGR; Combustion emission performanceCLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-49-03

前言

由于化石燃料不斷損耗所造成的能源危機和環境污染問題已經尤為突出^[1]，車輛保有量的逐年提升^[2]，內燃機對傳統燃料的依賴性不斷增強，一直以來，節能減排是發動機發展的方向。

氫燃料完全燃燒產物只有水，是一種理想的替代燃料。但是由于氫的燃燒反應溫度較高導致在高溫環境下將空氣中的N₂氧化成NOx，且在較高負荷下NOx生成量較多，無法滿足排放法規的要求。

針對上述問題，Pranav V. Kherdekar等人^[3]利用數值模擬開發了NO生成模型，表明NO濃度不僅取決于缸內溫度峰值，還取決于缸內溫度的時間變化。Sharma R等人^[4]研究了超稀薄條件下NO的生成規律，發現在超稀薄燃燒條件能夠確保燃燒溫度足夠低，NOx生成速度足夠慢，能夠有效降低NOx排放。

廢氣再循環（exhaust gas recirculation;EGR）技術的出現，有效地改善了內燃機的性能，尤其是降低柴油機中的NOx排放以及減少汽油機中的爆震現象^[5][6]。Amr?Ibrahim?等人^[7]利用EGR系統改善天然氣發動機的性能，發現冷卻的EGR可以在高壓縮比條件下顯著降低NO排放。

在氫內燃機中使用EGR系統，能夠有效地降低燃燒溫度，對NOx排放以及氫內燃機異常燃燒有明顯的作用，因此本文通過AVL-Fire軟件對單缸氫發動機進行模擬，研究不同EGR率對氫發動機性能的影響。

1 模型選取及方案設定

1.1 發動機模型網格劃分

對一臺單缸發動機進行建模和網格劃分，其主要結構參數為：缸徑94mm、行程85mm、壓縮比9.7、連桿長度137mm，利用對稱性建立三維模型減少計算量，模型及網格劃分如圖1所示。

1.2 初始邊界條件選取

選取合適的初始條件和邊界條件能夠有效地提升模擬計算的準確性，本模型根據經驗值及預模擬設置的初始條件為：進氣道溫度293K、壓力0.1Mpa;排氣道溫度900K、壓力0.106Mpa;邊界條件設置為：進氣道溫度300K、壓力0.1Mpa;排氣道溫度600K、壓力0.106MPa，活塞溫度600K。

1.3 計算模型及試驗方案

本文模擬計算一個循環，曲軸轉角為351～1071°CA，其中壓縮上止點為720°CA，具體范圍如表1所示。通過模擬計算4500rpm、中高負荷下不同EGR率對氫發動機性能的影響，點火時刻為702°CA，EGR率設為0、0.05、0.1、0.15、0.20五組進行對比研究。

2 模擬結果及數據分析

2.1 對燃燒放熱的影響

圖2為不同EGR率對最大放熱率和實際當量比的影響。圖3表示EGR率對燃燒進程的影響。縱坐標表示燃燒進程，定義從0.1到0.9為主燃燒階段，可以發現增加EGR率導致主燃燒期對應的曲軸轉角的不斷增加和推遲。無EGR時主燃燒從704°CA開始，持續期僅為12°CA，此時最高放熱率為62J/deg;當EGR率增加到0.2時燃燒從718°CA持續到780°CA，放熱緩慢，最高放熱率僅為8.7J/deg，對發動機的功率輸出影響嚴重。EGR率對放熱影響明顯，而燃燒過程又是放熱率的具體體現，EGR率依次增加到0.15時，最大放熱率接近線性減小;繼續增加至0.2后，燃燒極度惡化。主要原因燃料濃度對氫燃料燃燒速度影響明顯，增加EGR后改變了缸內混合氣的成分，隨著EGR率的不斷增加，燃料稀釋度增加，同時缸內新鮮空氣量減少導致氧氣濃度降低，燃燒速度降低。

2.2 對溫度壓力的影響

圖4和圖5表示不同EGR率下缸內平均壓力和平均溫度隨曲軸轉角的變換趨勢。EGR的增加使得缸內最高壓力和溫度逐漸降低，且降低趨勢逐漸增加;同時各EGR率下最高溫度和最高壓力所在的曲軸轉角也不一致，整體趨勢隨著EGR率的增加，最高點出現的曲軸轉角逐漸增加，這與主燃燒階段的增加和推遲相關。無EGR時缸內最高壓力為60bar，EGR率為0.15時，最高壓力降為38bar。而EGR為0.2時最高缸內壓力為28bar，此時曲線與純壓縮曲線接近。無EGR時最高溫度為2770K，EGR率為0.15時，最高溫度為2230K。在EGR率為0.2時，最高溫度出現在790°CA，表明在該EGR率下燃燒階段已經嚴重推遲，缸內溫度下降明顯且在做功后期溫度較高，后燃現象明顯。

2.3 對NO排放的影響

圖6表示EGR率對氫發動機NO排放的影響。可以發現此時增加EGR對NO的排放改善明顯。

一方面，增加EGR后對缸內新鮮充量進行稀釋，另一方面，由于EGR的引入而導致氧氣量的減少，尤其是在EGR率為0.15時，此時NO排放接近為0，其主要原因在于大量EGR的引入導致此時缸內的氧氣濃度較低，此時當量比、溫度較高，但氧氣不足，造成NO_x降低;增加到更高的EGR

率（0.2）時由于溫度和氧氣量均不高，盡管燃燒能夠達到NO生成的溫度，但H₂反應活性高，此時氧氣主要與H₂反應，排放幾乎為零。

3 結論

氫燃料能夠在較寬的濃度范圍內進行燃燒，有利于EGR的引入。在4500rpm、中高負荷下進行氫內燃機試驗表明，氫內燃機的主要排放污染物為NO，且在中高負荷時排放量較高，EGR是降低NO排放的有效方式，提高EGR率能夠顯著的減少NO排放。

盡管在排放方面的效果明顯，但隨EGR率的增加，降低了氫燃料的燃燒速度，導致主燃燒期的延長和推遲;EGR也增加了缸內的稀釋效應和比熱容效應，導致放熱率降低;缸內溫度和壓力降低趨勢明顯，導致功率輸出不足。因此需要結合發動機的動力性、排放性和經濟性，在不同的工況下選取合適的EGR率來優化整機性能。

參考文獻

[1] BP世界能源統計年鑒2017.[EB/OL].https：//www.bp.com/zh_cn/ china/reports-and-publications/_bp_2017-_.html.

[2] 2017年中國機動車污染防治年報.[EB/OL]. https：//www.zhb.gov. cn/gkml/hbb/qt/201706/t20170603_415265.html.

[3] Kherdekar P V， Bhatia D. Simulation of a spark ignited hydrogen engine for minimization of NOx emissions[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2016：S0360319916330920.

[4] Sharma R， Dennis P， Manzie C， et al. Real time model predictive idle speed control of ultra-lean burn engines： Experimental results[J]. 2011.

[5] Maiboom A，Tauzia X ， Jean-Fran？ois Hétet. Experimental study of various effects of exhaust gas recirculation （EGR） on combustion and emissions of an automotive direct injection diesel engine[J]. Energy， 2008， 33（1）：22-34.

[6] Fontana G， Galloni E. Experimental analysis of a spark-ignition engine using exhaust gas recycle at WOT operation[J]. Applied Energy， 2010， 87（7）：2187-2193.

[7] Ibrahim A， Bari S. Optimization of a natural gas SI engine employing EGR strategy using a two-zone combustion model[J]. Fuel， 2008， 87（10-11）：1824-1834.