氫氣發動機氣缸注水燃燒的數值模擬

盧弘博, 姚清河

(中山大學航空航天學院,廣東廣州 510275)

引 言

與傳統燃料相比,盡管氫氣在儲存和運輸環節存在較大的安全隱患[1],然而將其作為發動機主要燃料仍然有諸多不可忽視的優點,例如提高發動機燃料經濟性、易于燃燒、降低點火能耗等[2-4],最重要的是,氫的燃燒產物是水并且沒有碳排放[5-6].盡管根據Carnot定理,氫氣燃燒的能量效率低于燃料電池中氫的電化學反應,但是氫燃料仍然具有較高的研究價值,因為采用傳統汽油或柴油發動機的結構可以輕易地支持氫燃料的燃燒[7-8].此外,燃料電池通常需要復雜的輔助系統,如增濕器、蒸汽轉化器、加熱系統和電控設備來支持其運行,其建造和維護成本較高[9-11],因此,許多汽車制造商都在大力推動車用氫氣發動機的發展[12-15],包括東京城市大學1974年推出的“武藏系列”、福特的“E-450穿梭巴士”和寶馬的“Hydrogen 7”[16].然而,與傳統內燃機相比,氫氣發動機在發展過程中遇到了不同的問題,例如發動機內部溫度通常會增加40%,NO排放量增加,發動機劇烈振動和穩定性降低等,這些問題降低了乘坐的舒適性,并縮短了發動機部件的壽命.出現這些問題的原因很簡單,因為單位體積氫氣的燃燒會比大多數常規燃料釋放更高的能量[17-18].

注水燃燒的方式能有效降低發動機氣缸的燃燒溫度,減少尾氣中NO的排放,同時提高發動機的能效,近年來在汽油和柴油發動機中得到了廣泛的應用[19-22].關于這方面的研究,由于活塞發動機內部……