氫氣添加對柴油發動機燃燒和排放特性的數值模擬

劉近平，王秀峰

（安陽工學院，河南安陽455000）

隨著汽車保有量的不斷增加，面對石油資源短缺和環境污染加劇的雙重壓力，尋求新的可替代清潔燃料迫在眉睫。氫氣作為一種清潔的可再生能源，本身燃燒不產生污染物，直接作為發動機的燃料或者添加劑加入到目前的發動機中比較容易實現，因此國內外一些學者對其在發動機中的燃燒特性進行了研究[1-3]。

Madhujit Deb團隊[4]利用臺架試驗，深入研究了柴油與氫氣混合對柴油機燃燒及排放過程的影響，氫氣和空氣在進氣歧管處混合，柴油則采用缸內直噴技術，試驗結果顯示：氫氣添加使得發動機的有效熱效率明顯上升，缸內壓力的峰值和放熱率急劇增加，隨著氫氣含量的增加，碳氧化物和微粒的排放有所降低、氮氧化物排放有所增加。Y Karag?z[5]更進一步研究了不同負荷下添加氫氣對柴油發動機排放特性的影響，試驗結果顯示，發動機在部分負荷時，氫氣添加后氮氧化合物和微粒的排放會基本保持不變，而發動機在全負荷的時候，氮氧化合物的排放由于氫氣的添加而變得急劇升高。為了進一步考察氫氣添加后對燃燒過程中主要中間產物的影響，羅旻燁[6]基于層流預混火焰研究了不同的氫氣添加量對異辛烷燃燒產物和中間組分的影響，結果表明隨著氫氣的增加，氫氣的熱作用和稀釋作用使得CO和CO2的摩爾分數下降，特別是得出了H、O和OH自由基的濃度隨著氫氣添加量的增加而減少的結論，對氫氣影響燃燒過程的影響更推進了一步。由于柴油機的缸內燃燒過程非常復雜，柴油機中添加氫氣后對缸內當量比的分布和燃燒放熱過程的影響認識仍不充分，本文采用三維數值計算的方法，研究氫氣添加對柴油機缸內燃燒過程和排放特性的影響。

1 計算模型

燃油的霧化蒸發過程直接影響燃燒、放熱以及污染物的排放，AVL_Fire軟件提供了豐富的模型選擇，以滿足不同情況燃油噴射的需求。

1.1 噴霧模型

目前比較常用的計算噴霧模型主要是離散液滴模型和連續液滴模型，這兩種噴霧模型都是基于噴霧具有氣液兩相結構而建立的，用以模擬汽缸內混合氣氣體和液體交界面上相互之間的影響。本文計算中選取的破碎模型為TAB破碎模型[7]，該模型計算液滴在運動過程中受到空氣阻力時發生變形。

y為計算時液滴最大直徑，x為液滴離開平衡位置的位移，C為液滴變形判斷常數，r0為未破碎時液滴的直徑，球形液滴控制方程為

其中，U為液滴運行的速度；μl是液滴的黏度；ρg和ρl分別是氣相和液相的密度。在計算過程中，只有當y＞1時，液滴發生破碎，碰壁模型選擇的是O’Rourke和Amsden模型。

1.2 蒸發模型

本文液滴的蒸發過程采用Frossling Correla?tion模型，該模型計算液滴半徑隨時間的變化率，公式如下[7]：

上式中，r0是液滴的半徑，ρl為液滴的密度，D為液滴蒸發到環境氣體的質量擴散，Bd為蒸汽擴散系數，SHd為Sherwood數。

2 計算結果與分析

計算所采用的發動機燃燒室為ω型，壓縮比為15：1，將 AVL-Fire 軟件的2D Sketcher模塊繪制的柴油機燃燒室剖面圖（圖1）導入CFD Workflow Manager模塊，生成燃燒室的面網格，如圖2所示。

圖1 發動機燃燒室結構圖

圖2 不同曲軸轉角下的二維網格

計算時所采用的發動機模型參數如表1所示。

表1 發動機技術參數

計算過程中，設置循環噴油量是40mg，EGR率為0，殘余廢氣率是0.478，計算過程是從曲軸轉角195°CA 到 400°CA。NOx排放選取 Extended Zel?dovic模型，氫氣添加的比例分別為0%、3%和6%。

2.1 不同比例的氫氣添加對燃燒過程的影響

圖3是不同比例的氫氣添加下缸內溫度隨曲軸轉角變化的規律。從圖中可以看出，在缸內燃燒過程發生后，添加氫氣對溫度的升高有較大的影響：氫氣添加量為0%時缸內最高溫度為1317 K，當氫氣添加量為3%時最高溫度為1500K，當氫氣添加量為6%時最高溫度達到了1740K。隨著氫氣添加量的逐漸增加，缸內的溫度逐漸升高，同時缸內燃燒的著火點略有提前。這是因為進氣過程中添加了氫氣以后，混合氣中的燃料含量有所增加，當量比加大，柴油噴入到缸內后開始霧化蒸發，氫氣含量較大的情況下由于當量比大更容易提前著火，同時氫氣的著火速度與柴油相比更快，因此缸內燃燒的著火始點略有提前。圖4為不同氫氣添加量下缸內溫度變化的計算結果。從圖中可以看出，在355°CA之前氫氣添加對溫度沒有影響，說明在壓縮過程中氫氣并沒有發生相應的氧化反應；隨著燃燒過程的推進，氫氣含量較多的區域更容易著火，例如在375°CA時刻，6%的氫氣添加量下與0%的氫氣添加量相比，高溫區域明顯擴大，同時缸內最高溫度也相有所升高。

圖3 不同比例的氫氣添加對缸內溫度的影響

2.2 不同比例的氫氣添加對NO的影響

圖5反映了不同比例的氫氣添加對NO生成的影響。從圖中可以看出，當氫氣添加量為0%時NO的排放最高，當氫氣添加量為3%時NO的生成最低，當氫氣添加量為6%時NO的生成居中。NO的生成與缸內溫度和氧氣分子的含量有關，當氫氣添加量為0%時，氧氣分子含量較高，更有利于NOx的生成，但是此時缸內溫度最低，NO不容易進一步氧化成其他的氮氧化物，因此NO濃度最高。當添加量為3%時，缸內氧氣含量并不高，同時溫度也不太高，在此環境下NOx不容易生成，因此NO的濃度最低。隨著添加量的進一步加大，當添加量達到6%時，雖然氧氣分子的含量有所降低，但是缸內的燃燒溫度有了大幅度的提升，加劇了氮氣和氧氣的反應，缸內的NO含量也有一定程度的提升。圖6為NO在不同氫氣添加量下的缸內分布圖。從圖中可以清晰地看出，在氫氣為0%添加量時，NO的缸內分布區域較最大，3%氫氣添加量時NO的空間分布區域最小，這和上面的分析是一致的。

圖4 不同比例的氫氣添加量下缸內溫度分布

圖5 不同比例的氫氣添加對NO生成的影響

2.3 不同比例氫氣添加對碳煙生成的影響

圖7是不同比例氫氣添加對碳煙生成的影響。當氫氣添加量為0%時，缸內碳煙生成量最多；當氫氣添加量為3%時，缸內碳煙的生成量最低，當氫氣添加量為6%時碳煙生成相對于3%時有所升高；碳煙的生成主要集中在365°CA和380°CA之間。主要原因如下：當氫氣添加量為0%時，此時缸內的溫度較低但是能夠滿足碳煙的生成條件，缸內有大量的碳煙生成；隨著氫氣添加量的增加，缸內溫度升高，部分碳煙被氧化，缸內碳煙生成量有明顯的下降；當氫氣添加量達到6%時，缸內溫度最高，但氧氣分子的含量最低，已生成的碳煙所進行的氧化反應速度減慢，因此與3%氫氣添加量相比，碳煙的含量會有所提升，但是與純柴油相比仍是降低的。圖8為碳煙在不同氫氣添加量下的缸內分布圖。從圖中可以看出，碳煙的生成持續時間相對較短，在燃燒剛開始的階段有大量的碳煙產生，對比圖4可以看出，碳煙剛開始生成量最多的區域是溫度略高的區域，隨著反應的進一步加劇，缸內溫度急速升高，碳煙顆粒物被氧化，生成量會加速減少。從生成總量上來看，氫氣的添加對碳煙排放物的影響并不是特別明顯。

圖6 不同比例的氫氣添加量下NO生成分布

圖7 不同比例的氫氣添加對碳煙生成的影響

2.4 不同氫氣添加量的氣體速度場

缸內燃燒過程與噴霧過程以及氣體流動密切相關，圖9為缸內氣體速度場。從圖中可以看出，氫氣添加后對缸內氣體的流速影響不大，這主要是因為氫氣在進氣歧管中進行噴射，缸內燃油噴射對不同比例氫氣添加下氣流運動的變化影響基本一致，因此不同比例的氫氣添加對缸內氣體流速的影響較小。

3 結論

本文基于發動機三維仿真軟件AVL_Fire軟件，研究了不同比例的氫氣添加對發動機缸內燃燒過程和主要污染物的影響，得出的結論如下：

①隨著氫氣添加量的增加，缸內的平均溫度有較大幅度的升高，同時缸內的著火始點略有提前；氫氣添加后，改變了缸內混合氣的當量比，對燃燒過程產生了一定的影響；

②隨著氫氣添加量的增加，缸內NO的生成呈現出先降低再升高的趨勢，在氫氣添加比例為3%時最低；NO的生成除了受控于溫度之外，還有氧氣濃度聯系較為緊密；

圖8 不同比例的氫氣添加量下缸內碳煙分布圖

圖9 不同比例的氫氣添加量下氣體速度場

③缸內碳煙的生成在某一氫氣添加量下最低，這主要是因為在較高的溫度和較高的氧濃度下，碳煙容易發生氧化反應；同時，氫氣添加對碳煙生成量的影響不是特別明顯。