姚嘉琪, 潘劍鋒, 肖曼, 陳林林

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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預(yù)混合氫氣對柴油機燃燒和排放性能的影響

姚嘉琪, 潘劍鋒, 肖曼, 陳林林

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對預(yù)混合氫氣的柴油機，在AVL Fire軟件上建立了計算模型，并與試驗結(jié)果進行對比，驗證模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上改變了噴射策略，對發(fā)動機缸內(nèi)工作過程及相應(yīng)的燃燒和排放性能進行數(shù)值模擬和分析。研究結(jié)果表明：隨著預(yù)混合氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，缸內(nèi)壓力和溫度升高，NOx排放惡化，Soot排放改善；隨著預(yù)噴射油量和預(yù)噴間隔角的增加，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；隨著后噴射噴油量的增加，缸內(nèi)壓力和放熱率稍微減小，NOx和Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；隨著后噴間隔角的增加，缸內(nèi)壓力、放熱率、NOx和Soot排放均未發(fā)生明顯變化。

柴油機； 預(yù)混合; 氫氣; 多次噴射； 燃燒； 排放

柴油機廣泛應(yīng)用于工業(yè)與交通的各個領(lǐng)域，因此柴油機的排放問題倍受關(guān)注[1]。柴油機預(yù)混合氫氣是在柴油機的進氣道中加入均質(zhì)預(yù)混的氫氣，可以實現(xiàn)缸內(nèi)燃燒的分層分布和部分預(yù)混合的燃燒模式，能夠?qū)崿F(xiàn)中小負(fù)荷工況下的NOx和Soot生成量同步減少[2]。因此，把氫氣作為發(fā)動機燃料的研究日益受到重視[3]。另一方面，隨著柴油機高壓共軌技術(shù)的發(fā)展，多次噴射技術(shù)也逐漸成為優(yōu)化燃燒過程和改善排放的重要手段，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對此進行了相關(guān)研究[4-6]。本研究采用AVL-Fire軟件對柴油機預(yù)混合氫氣燃燒模式進行模擬計算，分析不同噴射策略下預(yù)混合氫氣對柴油機燃燒性能和排放性能的影響。

1 模型的建立及驗證

本研究基于AVL-Fire軟件對文獻(xiàn)[7]中的柴油機燃燒試驗進行模擬計算建模及驗證，發(fā)動機的基本技術(shù)參數(shù)見表1。對燃燒室進行動態(tài)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量分別為105 200，76 300和564 700。在驗證網(wǎng)格無關(guān)性后，選取76 300的網(wǎng)格，在上止點位置的網(wǎng)格劃分見圖1。

模擬計算中湍流模型選用k-zeta-f模型，噴霧模型選用WAVE模型。燃燒模型選用三區(qū)擴展擬序火焰模型(ECFM-3Z)，該模型是基于火焰面密度輸運方程增加了預(yù)混模型，模擬空氣與燃料間的亞格子湍流混合。溫度型NOx生成模型選用Zeldovich模型，Soot生成模型選用Kennedy-Hiroyasu- Magnussen模型[8]。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

圖1 網(wǎng)格劃分

采用所建立的模型進行模擬計算，與參考文獻(xiàn)[7]中的試驗數(shù)據(jù)進行了對比，其結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，模擬計算得到的缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度結(jié)果與試驗所測得的結(jié)果基本吻合。從缸內(nèi)溫度曲線可以看出，在溫度為1 060 K時，出現(xiàn)一個拐點，此后溫度急劇增加，進入急燃期，該拐點即為著火時刻。該溫度值與文獻(xiàn)中著火時刻的溫度1 073 K很接近。且此時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為350°，與文獻(xiàn)中著火時刻對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角347°接近，說明該模型能夠反映柴油機的正常工作特性，因此計算模型可靠。

圖2 缸內(nèi)壓力和溫度的模擬與試驗結(jié)果對比

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 預(yù)混合氫氣量的影響

計算采用的燃燒模式是在缸外形成氫氣與空氣的均質(zhì)混合氣，然后混合氣進入氣缸，并通過缸內(nèi)直噴柴油壓燃后引燃?xì)錃饣旌蠚?。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，EGR率為0.1，計算時間從進氣門關(guān)閉(230°)之后到排氣門開啟(484°)，此區(qū)間內(nèi)進排氣門處于關(guān)閉狀態(tài)。

保持燃油低熱值不變，假設(shè)混合燃料中氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x，則相對應(yīng)的柴油的質(zhì)量為(1-x)，氫氣和柴油的熱值分別按121 MJ/kg和42.5 MJ/kg進行計算，得出混合燃料中的氫氣和柴油的質(zhì)量(見表2)。

表2 氫氣和柴油的質(zhì)量

圖3示出氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對缸內(nèi)壓力、溫度和放熱率的影響，柴油噴油時刻保持不變以實現(xiàn)預(yù)混合燃燒方式。從圖中可以看到，隨著氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力點前移，缸內(nèi)最高壓力增大。 從溫度曲線可以看出，隨著氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，缸內(nèi)最高溫度增大。在燃燒滯燃期，溫度急劇上升，在噴油后1°出現(xiàn)了一個較小的新的溫度峰值。這是由于柴油壓燃著火后，柴油燃燒引燃?xì)錃猓谳^短的時間內(nèi)形成了多個穩(wěn)定的火焰中心，使得氫氣在較短的時間內(nèi)被點燃，迅速釋放出大量的熱量，使得該階段的溫度迅速升高，出現(xiàn)溫度峰值，且隨著氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，羥基自由基濃度增大，反應(yīng)速度加快[9]，峰值位置提前。從放熱率曲線可以看出，隨著氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，最大放熱率升高。由于氫氣燃燒的火焰面前進速度快于柴油擴散燃燒的火焰面[9]，滯燃期縮短[10-11]。

圖3 缸內(nèi)壓力、溫度、放熱率隨H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

圖4示出了氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對NOx和Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。隨著預(yù)混合氫氣比例的增加，缸內(nèi)壓力和溫度升高，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

圖4 氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對NOx和Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.2 噴射策略的影響

預(yù)噴射和后噴射具體噴油策略見表3。采取預(yù)噴射和后噴射策略時，主噴時刻均為10°BTDC，脈寬保持為13°，預(yù)噴脈寬和后噴脈寬均為5°，氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。在預(yù)噴射和后噴射策略中，柴油總量保持一致。

表3 預(yù)噴和后噴具體噴油策略

2.2.1 預(yù)噴策略的影響

2.2.1.1 預(yù)噴油量

圖5示出了預(yù)噴間隔為10°，預(yù)混合10%氫氣時，不同預(yù)噴油量下的缸內(nèi)壓力、放熱率、NOx和Soot生成情況。

圖5 預(yù)噴油量對缸內(nèi)壓力、放熱率、NOx和Soot生成的影響

從圖5a中的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線可以看出，隨著預(yù)噴油量的增加，缸內(nèi)壓力峰值升高，滯燃期始點提前。但是由于主噴階段燃油量的減少，放熱率峰值降低。在預(yù)噴射階段，放熱率形成一個小峰值，并且隨著噴油量的增加，該峰值增大。

從圖5b中的排放曲線可以看出，隨著預(yù)噴燃油的增加，預(yù)噴射產(chǎn)生的放熱量增加，缸內(nèi)溫度升高，高溫區(qū)的形成增加了NOx排放[12]。預(yù)噴射燃油噴入缸體，由于缸內(nèi)溫度較低，只發(fā)生低溫冷焰反應(yīng)，不進行燃燒。當(dāng)預(yù)噴射的燃料疊加到主噴射，造成預(yù)混合量增加，從而預(yù)燃燒溫度增加，NOx生成量增加。由于預(yù)噴射使得缸內(nèi)氣體流動加劇，燃料混合更加充分，燃燒高溫抑制了Soot的生成。

2.2.1.2 預(yù)噴時刻

圖6示出了預(yù)噴量為10%，預(yù)混合10%氫氣時，不同預(yù)噴時刻下的缸內(nèi)壓力、放熱率、NOx和Soot生成情況。從圖6a中的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線可以看出，隨著預(yù)噴間隔的增加，缸內(nèi)壓力峰值增大，放熱率峰值降低，燃油在缸內(nèi)提前燃燒，縮短了主噴階段的滯燃期，放熱始點前移。預(yù)噴射時刻的改變主要影響主噴的壓力峰值和放熱率，對相位的影響較小。從圖6b中的排放曲線可以看出，隨著預(yù)噴間隔的增加，NOx排放升高；但預(yù)噴射縮短了滯燃期，有利于燃油混合氣的形成，減少了Soot排放。

圖6 預(yù)噴時刻對缸內(nèi)壓力、放熱率、NOx和Soot生成的影響

2.2.2 后噴策略

2.2.2.1 后噴油量

圖7示出了后噴間隔為25°，預(yù)混合10%氫氣時，不同后噴油量下的壓力、放熱率、NOx和Soot生成情況。

從圖7a中可以看出，隨著主噴射量減少，后噴量增加，缸內(nèi)最高壓力減小，放熱率峰值逐漸遠(yuǎn)離上止點，且放熱率峰值減小。隨著后噴射量的增加，后噴射燃油燃燒釋放熱量增多。但是后噴油量相對于主噴油量仍較小，后噴所帶來的燃燒放熱對整個缸內(nèi)的壓力影響也較小，從而缸內(nèi)壓力和放熱率曲線整體變化不大。從圖7b的排放曲線可以看出，隨著后噴油量的增加，NOx排放逐漸減少。這主要是因為主噴油量減少，缸內(nèi)最高溫度降低，改善了高溫環(huán)境，從而抑制了NOx的生成。炭煙的氧化速率實際上決定了炭煙排放水平。高濃度Soot區(qū)域主要集中在燃燒室的凹坑處，因為凹坑處的氧氣含量較低，燃燒廢氣較多，Soot不易被氧化。由圖8可以看出，增加后噴噴射策略后，Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的面積減小，這是因為油束能夠裹帶氧含量較濃的缸內(nèi)中心區(qū)域氣體到達(dá)Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域，氧化已生成的Soot，因此Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

圖7 后噴油量對缸內(nèi)壓力、放熱率、NOx和Soot生成的影響

圖8 不同條件下的Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

2.2.2.2 后噴時刻

圖9示出了后噴噴油量為10%，預(yù)混合10%氫氣時的缸內(nèi)壓力、放熱率、NOx和Soot生成情況。從圖9a中可以看出，缸內(nèi)壓力峰值比無后噴時低，而放熱率峰值增加。后噴間隔變化時，缸內(nèi)壓力幾乎不變。主要原因是主噴燃油減少，釋放的熱量減少，壓力降低；當(dāng)后噴推遲到主噴時刻之后20°時，遠(yuǎn)離放熱率峰值點，使得主噴階段的燃燒更加充分，放熱率峰值略微增大。

從圖9b中排放曲線可以看出，有后噴射策略時NOx和Soot的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要低于無后噴射策略時。隨著后噴射間隔角的增加，NOx和Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)未出現(xiàn)明顯的變化。這是因為后噴射燃燒使得過量空氣系數(shù)減小，缸內(nèi)溫度不高，未大量生成NOx。后噴的提前使得部分氧氣較濃的氣體能夠較早地進入凹坑內(nèi)，但此時缸內(nèi)壓力較大，油束較短，綜合作用下Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大。

圖9 后噴時刻對缸內(nèi)壓力、放熱率、NOx和Soot生成的影響

3 結(jié)論

a) 隨著預(yù)混合氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，缸內(nèi)壓力和溫度升高，NOx排放指標(biāo)惡化，Soot排放指標(biāo)改善；

b) 在預(yù)混合燃燒模式中采用預(yù)噴噴射策略，相較于無預(yù)噴噴射策略，缸內(nèi)壓力升高，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，放熱率降低，Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；隨著預(yù)噴射油量和預(yù)噴間隔角的增加，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；

c) 在預(yù)混合燃燒模式中采用后噴射噴射策略，相較于無后噴噴射策略，缸內(nèi)壓力和溫度降低；隨著后噴油量的增加，缸內(nèi)壓力和放熱率稍微減?。浑S著后噴間隔角的增加，缸內(nèi)壓力、放熱率以及NOx和Soot排放均未發(fā)生明顯變化。

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[編輯： 姜曉博]

Influences of Pre-mixed Hydrogen on Diesel Engine Combustion and Emission Performance

YAO Jiaqi, PAN Jianfeng, XIAO Man, CHEN Linlin

(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The numerical model for pre-mixed charge hydrogen/diesel engine was built by using AVL FIRE software and was further verified by the experimental results. Based on the modified injection strategy, the in-cylinder working process and the correspondent combustion and emission performance were simulated and analyzed with the model. The results showed that the increased fraction of hydrogen led to the increase of in-cylinder temperature and pressure and NOxemission and the reduction of soot emission. With the increase of pre-injection quantity and interval, the mass fraction of NOxand soot emission increased and decreased respectively. In addition, the in-cylinder pressure and heat release rate decreased and the NOxand soot mass fraction decreased with the increase of post-injection quantity, but they hardly changed with the increase of post-injection interval.

diesel engine； pre-mixing； hydrogen； multiple injection； combustion； emission

2015-06-15；

2015-10-20

江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20131253);江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

姚嘉琪(1990—)，男，碩士，主要研究方向為內(nèi)燃機噴霧與燃燒；bernieyjq@126.com。

潘劍鋒(1978—)，男，教授，主要研究方向為動力機械燃燒過程和燃燒系統(tǒng)；mike@ ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.013

TK421.2

B

1001-2222(2016)01-0068-05