段俊法，唐建鵬，張宇，魏巍，李權(quán)才

(華北水利水電大學(xué)機械學(xué)院，河南 鄭州 450045)

能源緊張、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)成為世界范圍內(nèi)關(guān)注的焦點，傳統(tǒng)內(nèi)燃機作為汽車的主要動力，不僅消耗大量的化石能源，其廢氣排放還是城市大氣污染的主要來源之一，廢氣中的CO2也是造成溫室效應(yīng)的重要因素[1-3]。因此，清潔低碳的內(nèi)燃機替代燃料成為研究熱點。氫氣以其可再生、無污染、無碳排放等特性受到研究者的廣泛關(guān)注，被認為是較為理想的內(nèi)燃機替代燃料[4]。國內(nèi)外一些汽車廠商如寶馬、福特、馬自達和長安等均已經(jīng)研制出氫燃料內(nèi)燃機，并穩(wěn)定運行。

氫氣具有很高的絕熱燃燒溫度，因而氫發(fā)動機在中高負荷時會產(chǎn)生大量的NOx排放[5-6]。孫柏剛、Safari、Subramanian等[7-9]試驗研究發(fā)現(xiàn)，當量比大于0.6時氫內(nèi)燃機產(chǎn)生高濃度的NOx排放，在當量比為0.8左右時NOx排放達到最大值。在低負荷采用稀薄燃燒技術(shù)，在高負荷采用當量燃燒技術(shù)，都會較好地抑制NOx生成，但會造成動力性下降[10-11]。研究中高負荷下燃燒方式對內(nèi)燃機動力性和排放的影響，對于氫燃料內(nèi)燃機性能優(yōu)化具有重要意義。

本研究以某進氣道噴射氫燃料內(nèi)燃機試驗樣機為原型，建立內(nèi)燃機三維實體模型，并耦合較為詳盡的19基元H—O—N反應(yīng)的機理，得到CFD仿真模型，應(yīng)用試驗數(shù)據(jù)對CFD模型進行標定和驗證，基于仿真對比稀薄燃燒和當量燃燒兩種燃燒方式下氫燃料內(nèi)燃機的燃燒和排放特性。

1 模型的建立及驗證

1.1 氫燃料內(nèi)燃機

以1臺4缸四沖程進氣道噴射氫燃料內(nèi)燃機為原型建立三維仿真模型，該內(nèi)燃機的主要參數(shù)見表1。

表1 氫燃料內(nèi)燃機主要參數(shù)

為減少計算量和計算時間，忽略各氣缸之間工作的不一致性，建立僅包含進排氣道、進排氣門、氣缸、活塞以及火花塞等部件的單缸內(nèi)燃機三維實體模型(見圖1)。將STL格式三維模型文件導(dǎo)入Converge Studio中，經(jīng)過對模型幾何表面檢測和修復(fù)后，把整個模型分為進氣(Region1)、氣缸(Region0)和排氣(Region2)3個區(qū)域，并定義各區(qū)域邊界類型和邊界條件，生成surface.dat面網(wǎng)格文件。在仿真過程中軟件基于預(yù)設(shè)的網(wǎng)格生成規(guī)則自動生成網(wǎng)格。

圖1 氫內(nèi)燃機實體模型

計算網(wǎng)格的尺寸決定了計算精度和計算時間。通過設(shè)定基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸和不同位置和時刻的網(wǎng)格加密等級，Converge在計算過程中可以自動生成合適的六面體笛卡爾計算網(wǎng)格。Converge中基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為5～20 mm，分為5個加密等級，加密等級為n的網(wǎng)格邊長為基礎(chǔ)網(wǎng)格邊長的1/2n。本研究選用的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為8 mm，在進排氣道以及氣缸內(nèi)加密等級為2級，溫度、速度自適應(yīng)加密等級為4級，火花塞附近及火焰前鋒面加密等級為5級。經(jīng)計算驗證，設(shè)定的網(wǎng)格尺寸和加密等級在保證計算精度的同時大大縮短了計算時間。

1.2 燃燒模型

本研究采用的燃燒模型是耦合了化學(xué)反應(yīng)機理的SAGE模型，該模型允許使用Chemkin格式化的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理文件，該文件格式是化學(xué)反應(yīng)機理文件的標準格式。本研究采用的化學(xué)反應(yīng)機理是GRI_3.0機理的H—O—N反應(yīng)子機理，該機理包含較為詳細的氫氧反應(yīng)機理，熱NO，NNH—NO，N2O—NO等NO生成機理以及NO2生成路徑機理，共67步可逆基元反應(yīng)。

耦合了化學(xué)反應(yīng)機理后燃燒模擬計算時間會大大增加，仿真過程中化學(xué)反應(yīng)機理啟動的條件是氫氧反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)并且燃燒能夠持續(xù)。設(shè)定當網(wǎng)格內(nèi)溫度大于氫氣的自燃溫度858 K時啟動化學(xué)反應(yīng)機理。點火模型采用放電點火，點火經(jīng)歷兩個過程：第一階段內(nèi)，火花塞電極間產(chǎn)生高壓使電極間的混合氣形成離子通道；第二階段內(nèi)，火花塞電極之間持續(xù)放電產(chǎn)生高溫以保證化學(xué)反應(yīng)機理能夠啟動。

1.3 湍流模型、傳熱模型和仿真參數(shù)

本研究采用的RNGκ-ε高雷諾數(shù)模型假設(shè)流動為完全湍流，適用于完全湍流的流體運動模擬，采用的固體和流體相耦合的共軛傳熱模型具有較高的穩(wěn)定性和收斂性。仿真時，選取發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，點火提前角在上止點前15°至上止點后2°之間。依據(jù)經(jīng)驗設(shè)定活塞、氣缸壁等初始溫度為500 K，火花塞溫度550 K，火花塞電極溫度600 K。

1.4 模型驗證

為保證仿真計算準確和可信，應(yīng)用已有試驗數(shù)據(jù)對仿真模型進行了試驗驗證，試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比見圖2。圖2 示出轉(zhuǎn)速3 000 r/min，燃空當量比分別為0.6，0.8，1.0時仿真與試驗的缸內(nèi)壓力對比。由圖2可知，仿真得到的缸內(nèi)壓力與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，其中仿真計算得到的缸內(nèi)燃燒壓力的峰值略高于試驗數(shù)據(jù)。

圖2 缸內(nèi)壓力仿真與試驗的對比

2 仿真結(jié)果與分析

在稀薄燃燒方式下，隨著燃空當量比的增加，負荷率不斷增加；而在當量燃燒模式下，隨著EGR率的增加，負荷率不斷減小。在兩種燃燒模式下，同樣的氫氣體積分數(shù)意味著同樣的負荷率。在中高負荷下，稀薄燃燒燃空當量比0.6，0.7，0.8，0.9分別對應(yīng)當量燃燒EGR率31.9%，23.2%，15%，7.2%。本研究基于仿真對比研究了發(fā)動機中高負荷工況時的燃燒和排放特性。

2.1 缸內(nèi)燃燒特性

OH是氫氧燃燒過程中的重要中間產(chǎn)物， OH濃度及其缸內(nèi)分布反映了缸內(nèi)燃燒過程的發(fā)展和燃燒劇烈程度。圖3示出不同燃燒方式下燃料燃燒50%時缸內(nèi)OH分布云圖，所有切片距活塞頂5 mm，垂直于氣缸軸線。

由圖3可知，OH主要分布在火焰前鋒面上，隨著燃空當量比的增大，火焰前鋒面處OH濃度明顯增大，缸內(nèi)燃燒反應(yīng)更加劇烈，同時采用當量燃燒模式的火焰前鋒面厚度變小，意味著火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?。在較低的負荷下(當量比0.6，0.7，對應(yīng)EGR率31.9%，23.2%)，稀薄燃燒的OH濃度明顯高于當量燃燒，而在較高的負荷下(當量比0.9，對應(yīng)EGR率7.2%)，兩種燃燒模式的OH最大濃度幾乎相同。

圖3 不同燃燒方式下缸內(nèi)OH分布云圖

圖4示出不同燃燒方式下的缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖4可知，燃空當量比為0.9時，在上止點后9.82°出現(xiàn)缸內(nèi)最大燃燒壓力，為6.92 MPa；而EGR率為7.2%時，在上止點后11.25°出現(xiàn)缸內(nèi)最大燃燒壓力，為6.63 MPa。燃空當量比為0.6時，在上止點后11.71°缸內(nèi)最大燃燒壓力為5.59 MPa；而EGR率為31.9%時，在上止點后17.72°缸內(nèi)最大燃燒壓力僅為4.60 MPa。

相同氫氣量的情況下稀薄燃燒比當量燃燒具有更高的缸內(nèi)最大燃燒壓力，且當量燃燒出現(xiàn)最大燃燒壓力相位滯后于稀薄燃燒。隨氫氣濃度的減小，稀薄燃燒和當量燃燒的缸內(nèi)最大燃燒壓力的差值增大，出現(xiàn)最大燃燒壓力的曲軸轉(zhuǎn)角差值也增大。缸內(nèi)最大燃燒壓力的下降直接導(dǎo)致氫燃料發(fā)動機指示功率降低， EGR率增加越多，指示功率下降越嚴重。

圖5示出不同燃燒方式下的缸內(nèi)平均溫度。由圖5可知，由于引入熱EGR，廢氣具有一定溫度，所以隨EGR率增加，初始溫度提高。燃空當量比為0.6時，在上止點后11.73°出現(xiàn)缸內(nèi)最高平均溫度，為2 330 K；而EGR率為31.9%時，在上止點后18.16°出現(xiàn)缸內(nèi)最高平均溫度，為2 284 K。當量燃燒的缸內(nèi)最高平均溫度略低于稀薄燃燒，同樣當量燃燒缸內(nèi)最高平均溫度相位滯后于稀薄燃燒。從圖4和圖5均可看出，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)燃燒的滯燃期和燃燒持續(xù)期變長。

2.2 排放特性

理論上氫內(nèi)燃機的唯一有害排放物是NOx，主要包括NO，NO2，N2O。圖6示出不同燃燒方式下NO濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖6可知，燃空當量比為0.9時最終NO排放體積分數(shù)為5 162×10-6，而EGR率為7.2%的NO體積分數(shù)為2 043×10-6。隨著EGR率的增大，廢氣再循環(huán)對降低NO排放的作用更加明顯。燃空當量比為0.6時，NO排放體積分數(shù)為1 550×10-6， 而EGR率為31.9%的NO排放體積分數(shù)已經(jīng)降至88×10-6。

當量燃燒可以大幅度降低NO濃度。這主要是因為應(yīng)用EGR技術(shù)實現(xiàn)當量燃燒時，混合氣中的氧氣量減少，在相同氫氣供給量的情況下，氫氣相比氮氣具有更高的活性，氧氣優(yōu)先與氫氣反應(yīng)，間接抑制了NO的生成。

圖6 不同燃燒方式下NO體積分數(shù)對比

圖7示出不同燃燒方式下N2O濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖7可知，稀薄燃燒時，N2O濃度在快速燃燒期內(nèi)急速上升，之后隨曲軸轉(zhuǎn)角增大緩慢下降，最終N2O濃度減小到1×10-6以下。隨燃空當量比的減小，N2O峰值濃度增大，但N2O最大峰值濃度也小于6×10-6。當量燃燒時，在快速燃燒期內(nèi)有少量的N2O生成，EGR率小于23.2%時，膨脹期內(nèi)N2O濃度出現(xiàn)緩慢上升，隨EGR率的減小，N2O濃度上升更加明顯，但N2O最終濃度低于14×10-6。

圖7 不同燃燒方式下N2O體積分數(shù)

圖8示出不同燃燒方式下NO2濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖8可知，稀薄燃燒時，NO2在快速燃燒期內(nèi)迅速增加，隨后增速變緩，最終NO2體積分數(shù)低于60×10-6。當量燃燒時，NO2生成量微乎

圖8 不同燃燒方式下NO2體積分數(shù)

其微，其最大體積分數(shù)小于4×10-6。由圖7和圖8可知，無論是稀薄燃燒還是當量燃燒，NO2和N2O生成都很少，兩者總和小于NOx最終排放的2%。

3 結(jié)論

a) 相同氫氣量下稀薄燃燒比當量燃燒更加劇烈，當量燃燒缸內(nèi)平均溫度略低于稀薄燃燒，壓力出現(xiàn)明顯下降，隨著EGR率增大，下降趨勢更加明顯，這表明當采用較大EGR率會引起內(nèi)燃機指示功率明顯下降；

b) 相比于稀薄燃燒，相同氫氣量下當量燃燒能夠有效地降低NOx排放；

c) 在高負荷(燃空當量比大于0.8)時采用當量燃燒可以在保證動力性的前提下大幅度降低NOx排放；在中等負荷(燃空當量比為0.6～0.8)時，采用稀薄燃燒可以獲得較好的動力性，但會有較高的NOx排放，采用當量燃燒能夠降低NOx排放但會犧牲內(nèi)燃機動力性；因此在中等負荷時可以采用較低的EGR率，在保證一定的動力性的前提下有效降低NOx排放。