段俊法,張宇,秦高林,吳排霞,何一鳴
(1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院,河南 鄭州 450045; 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081)
氫燃料內(nèi)燃機(jī)由于具有燃燒效率高且沒有含碳排放的特點,得到了廠商和研究者的關(guān)注[1-2]。寶馬、福特、長安等汽車公司研發(fā)了實用化的氫燃料內(nèi)燃機(jī)汽車,經(jīng)過數(shù)百萬公里的示范運行,結(jié)果顯示氫燃料內(nèi)燃機(jī)具有很高的效率和動力性[3-5]。但氫燃料內(nèi)燃機(jī)高負(fù)荷運行時會產(chǎn)生高濃度的NOx,需要探究其機(jī)理進(jìn)而抑制NOx的生成[6-8]。
先前的研究發(fā)現(xiàn),燃空當(dāng)量比決定了NOx排放濃度,Verhest、馬凡華、孫大偉等的試驗研究均表明,在燃空當(dāng)量比 0.55~1.0區(qū)間時氫燃料內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生了很高濃度的NOx[9-11]。Verhest等發(fā)現(xiàn)采用廢氣再循環(huán)技術(shù)可以抑制NOx排放[12-13]。研究人員基于PFI氫燃料內(nèi)燃機(jī)試驗發(fā)現(xiàn),負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、EGR率都會影響NOx排放總量[14-16],但這些宏觀的試驗結(jié)果難以揭示NOx生成機(jī)理。
關(guān)于氫燃料內(nèi)燃機(jī)排放機(jī)理的研究和成果并不多見。Das采用總包機(jī)理和準(zhǔn)維燃燒模型預(yù)測氫燃料內(nèi)燃機(jī)NO生成[17],Benkenida等采用CFD模型耦合總包機(jī)理預(yù)測氫燃料內(nèi)燃機(jī)排放[18],而這些研究采用僅包含3步反應(yīng)的總包機(jī)理,結(jié)果不夠準(zhǔn)確。本研究采用較為詳細(xì)的NOx化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究氫燃料內(nèi)燃機(jī)的燃燒和排放。
基于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理耦合三維計算網(wǎng)格建立的CFD仿真模型分析氫燃料內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程以及排放生成機(jī)理。
基于1臺4缸PFI氫燃料內(nèi)燃機(jī)建立三維實體模型。該內(nèi)燃機(jī)的主要參數(shù)見表1。
表1 氫燃料內(nèi)燃機(jī)主要參數(shù)
為了簡化計算,建模時忽略各缸進(jìn)氣的不一致性,建立了僅包含單個氣缸、進(jìn)排氣道、氣門、氫氣噴閥的三維實體模型(見圖1)。
三維實體模型以STL 文件格式導(dǎo)入CFD仿真軟件Converge,對模型進(jìn)行預(yù)處理,設(shè)定氣缸、活塞、進(jìn)氣道部件等作為不同類型的邊界,依據(jù)試驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)定溫度等初始條件,根據(jù)不同的邊界設(shè)置區(qū)域,在不同區(qū)域內(nèi)分別設(shè)置基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸和加密規(guī)則,在進(jìn)行仿真計算時,軟件將在各區(qū)域生成密度不同的計算網(wǎng)格。
圖1 氫燃料內(nèi)燃機(jī)三維實體模型
Converge軟件采用笛卡爾網(wǎng)格(沿著坐標(biāo)方向的正方體網(wǎng)格)。設(shè)定基礎(chǔ)網(wǎng)格的邊長后,可以在不同位置和時刻設(shè)定加密等級,從而控制網(wǎng)格的大小。加密等級為n的網(wǎng)格邊長是基礎(chǔ)網(wǎng)格邊長的1/2n。
本研究設(shè)定的基礎(chǔ)網(wǎng)格邊長為8 mm。氣缸內(nèi)部、邊界、氣門區(qū)域和點火區(qū)域分別加密。在點火和火焰前鋒面位置的加密等級達(dá)到5級,網(wǎng)格邊長0.25 mm,計算時網(wǎng)格總數(shù)超過48萬,能夠達(dá)到很高的精度。
先前的研究表明,采用上述較為詳細(xì)的燃燒排放機(jī)理可以獲得較高的NO預(yù)測精度。
設(shè)定反應(yīng)機(jī)理文件啟動的條件是網(wǎng)格內(nèi)溫度超過設(shè)定溫度(本研究設(shè)定為溫度858 K,氫氣的著火溫度)。達(dá)到溫度條件化學(xué)反應(yīng)開始進(jìn)行。
Converge軟件的仿真設(shè)定和控制文件均由用戶自主編寫,并保存在start.in,engine.in,boundry.in,chem.in以及therm.dat等文件中隨時調(diào)用。
點火過程設(shè)定為在火花塞區(qū)域一定曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)的放熱過程。給定點火能量后,軟件根據(jù)該區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算局部溫度。
設(shè)定轉(zhuǎn)速、氣門開閉時刻、氣門升程、進(jìn)氣成分、氫氣噴射流量和時刻、初始溫度和壓力、湍動能等控制條件,設(shè)定自適應(yīng)加密規(guī)則以及計算步長和收斂條件等控制參數(shù),仿真即可進(jìn)行。
采用仿真模型計算氫燃料內(nèi)燃機(jī)在轉(zhuǎn)速5 000 r/min,燃空當(dāng)量比0.5~1.0范圍的NOx排放。計算結(jié)果與相同條件下試驗結(jié)果[14]的對比見圖2。由圖2可知,仿真值和試驗值較為吻合,表明該仿真模型具有較好的預(yù)測精度。
圖2 NOx排放仿真值和試驗值的對比
氫內(nèi)燃機(jī)采用稀薄燃燒策略時發(fā)動機(jī)負(fù)荷隨著燃空當(dāng)量比的增加而增大,燃空當(dāng)量比大于0.6的高負(fù)荷工況會產(chǎn)生大量的NO排放。本研究選取燃空當(dāng)量比0.67~1.0,轉(zhuǎn)速1 000~5 000 r/min,EGR率0~30%工況仿真分析燃燒及排放生成過程。
OH是氫氣燃燒最為重要的中間物質(zhì),通過OH質(zhì)量濃度變化就可以分析火焰的傳播過程。圖3示出燃空當(dāng)量比0.8,轉(zhuǎn)速1 000 r/min時,氣缸內(nèi)OH質(zhì)量濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。點火時刻設(shè)定在-3°。
圖3 不同曲軸轉(zhuǎn)角下的OH質(zhì)量濃度分布
由圖3可知:點火后(-2.99°,-1.0°),在火花塞間隙迅速形成了均勻的高濃度OH基區(qū)域;隨后(3.0°,5.0°)高濃度OH基區(qū)域以橢球型向外擴(kuò)張,邊緣的OH濃度明顯高于內(nèi)部;在橢球火焰外側(cè)到達(dá)氣缸壁后(6.0°,6.5°),燃燒室中部出現(xiàn)大范圍不規(guī)則的高濃度OH基區(qū)域;隨后(8.0°,11.0°)氣缸內(nèi)OH質(zhì)量濃度急劇降低,表明快速燃燒結(jié)束。
OH基是氫氧反應(yīng)的中間基元,根據(jù)高濃度反應(yīng)火焰的強(qiáng)度,點火后首先在點火區(qū)域形成火核,在其前鋒面形成濃度較高的OH基。局部氫氣的燃燒釋放大量的熱,使周圍混合氣被加熱,加快周圍混合氣的氫氧反應(yīng)速度,反應(yīng)達(dá)到一定速度后混合氣開始燃燒,火焰沿著氣缸軸向傳播。由于火花塞電極的阻擋,高濃度OH基區(qū)域擴(kuò)張逐漸形成較為規(guī)則的橢球型邊界,然后以橢球型層流火焰向外傳播(在火焰前鋒面后方燃燒仍在持續(xù),但強(qiáng)度有所降低),在火焰前鋒面到達(dá)側(cè)壁時,由于燃燒產(chǎn)生壓力經(jīng)過壁面反彈,形成劇烈擾動,未燃?xì)怏w被卷進(jìn)燃燒室內(nèi)部形成大范圍湍流燃燒。
圖4示出了6.0°時的缸內(nèi)速度分布。由圖4可知,火焰到達(dá)側(cè)壁時氣體流動速度達(dá)到320 m/s,如此高的速度使得火焰和未燃混合氣迅速混合,形成了大范圍湍流火焰,使燃燒進(jìn)程加快,在很短時間內(nèi)結(jié)束燃燒過程。
圖4 6.0°時的缸內(nèi)速度場
從仿真過程來看,從點火到燃燒結(jié)束僅持續(xù)了11°(-3° ~8°),印證了楊振中關(guān)于氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以在上止點后點火的試驗結(jié)論[6]。這也是氫燃料內(nèi)燃機(jī)能夠達(dá)到很高效率的重要原因。
圖5示出燃空當(dāng)量比0.9,轉(zhuǎn)速1 000 r/min時的缸內(nèi)溫度分布云圖。
圖5 不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)溫度分布
由圖5可知,在橢球型層流火焰擴(kuò)張階段(3.0°,5.0°),氣缸內(nèi)也存在不斷擴(kuò)大的橢球型高溫區(qū)域;在大范圍湍流燃燒階段,燃燒室的中部出現(xiàn)了大范圍、形狀不規(guī)則的高溫區(qū),這和OH濃度分布是類似的。不同之處在于,橢球型高溫區(qū)的內(nèi)部溫度高于邊緣溫度,這是因為橢球內(nèi)部氫氧的燃燒和放熱更為充分。同樣,大范圍湍流火焰階段的溫度也高于橢球型層流火焰階段。在3°時,橢球內(nèi)部溫度在2 700 K左右。在5°時,橢球內(nèi)部溫度在2 900 K。而在大范圍湍流燃燒結(jié)束時,局部最高溫度達(dá)到了最高的3 200 K(8°),由于湍流的影響,此時缸內(nèi)的溫度分布并不均勻,部分區(qū)域的溫度低至2 300 K左右。
在快速燃燒結(jié)束后(11°后),隨著氣體的膨脹,氣缸內(nèi)氣體的溫度迅速降低,到15°時缸內(nèi)最高溫度已經(jīng)低至2 700 K,局部區(qū)域溫度低至2 200 K;到45°時,缸內(nèi)最高溫度已經(jīng)低至1 800 K,局部溫度低至1 600 K,缸內(nèi)溫度已經(jīng)比較均勻。
NO是氫和空氣反應(yīng)的生成物,是NOx的主要組成部分(超過95%)。圖6示出燃空當(dāng)量比0.9,轉(zhuǎn)速1 000 r/min時氫燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)NO質(zhì)量濃度分布云圖。
圖6 缸內(nèi)NO質(zhì)量濃度分布隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化
由圖6可知,在橢球型層流火焰期(3°,5°),燃燒室中部存在外形較為規(guī)則的橢球型NO分布區(qū)域, 橢球內(nèi)部的NO濃度高于火焰前鋒面。快速湍流燃燒結(jié)束時及以后(8° ~45°),NO濃度高的區(qū)域基本和高溫區(qū)域重合,且溫度越高的區(qū)域NO濃度越高。說明缸內(nèi)NO的局部濃度和該區(qū)域的溫度緊密相關(guān)。
由圖6可知 ,在燃燒持續(xù)時,NO濃度隨著高溫區(qū)溫度的增大而持續(xù)升高,在8°出現(xiàn)最高溫度時NO濃度達(dá)到頂峰,之后隨著溫度的下降,NO濃度也迅速下降。這可能是因為缸內(nèi)容積增大而引起的濃度降低,也可能是NO轉(zhuǎn)化為其他的基元。
為了定量分析NO生成與火焰?zhèn)鞑ゼ皽囟鹊年P(guān)系,圖7示出了燃空當(dāng)量比0.9,轉(zhuǎn)速1 000 r/min時氣缸內(nèi)NO質(zhì)量、OH質(zhì)量及平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。
圖7 NO和OH質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化
由圖7可知,在快速湍流燃燒結(jié)束后,NO質(zhì)量隨溫度的的下降而迅速下降。隨著溫度的持續(xù)下降NO質(zhì)量下降的速度變小,在缸內(nèi)平均溫度1 800 K時,NO質(zhì)量保持穩(wěn)定,此時的NO質(zhì)量就是最終排放質(zhì)量。
溫度降低初期NO迅速下降的原因在于溫度降低會導(dǎo)致N2的活性迅速降低,NO生成的正向反應(yīng)速率降低而逆向反應(yīng)速率增大,NO和N生成N2。在溫度低至1 800 K時,NO和N2失去活性,正向和逆向反應(yīng)不再進(jìn)行。由于反應(yīng)時間有限,逆向反應(yīng)進(jìn)行得并不充分,NO難以完全分解。
由圖6和圖7可知,快速湍流燃燒結(jié)束時的缸內(nèi)溫度決定NO排放的峰值,而其后溫度降低時NO生成的逆向反應(yīng)影響最終的排放。
圖8示出了轉(zhuǎn)速1 000~5 000 r/min,燃空當(dāng)量比0.67~1.0時NO最終排放體積分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。由圖8可知,不同燃空當(dāng)量比下NO排放都隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加。在燃空當(dāng)量比0.8時,轉(zhuǎn)速5 000 r/min的NO排放體積分?jǐn)?shù)達(dá)到9 600×10-6,比1 000 r/min時增加了1 576×10-6。
圖8 NO排放體積分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的變化
在高轉(zhuǎn)速時,缸內(nèi)燃燒放熱經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角變化不大,因而NO生成的峰值相差較小。高速時缸內(nèi)氣體膨脹經(jīng)歷的絕對時間較短,使得NO分解反應(yīng)進(jìn)行得更不充分,這是高轉(zhuǎn)速時氫燃料內(nèi)燃機(jī)NO排放較多的主要原因。
圖9示出了燃空當(dāng)量比0.67~1.0,轉(zhuǎn)速5 000 r/min時NO排放體積分?jǐn)?shù)隨EGR率的變化。由圖可知,在不同燃空當(dāng)量比時NO濃度均隨著EGR率的增大而迅速降低。在燃空當(dāng)量比為0.67,EGR率為0%時,NO排放為5 683×10-6,而在EGR率達(dá)到10%時NO排放降低至1 225×10-6,EGR率進(jìn)一步降低至20%時,NO排放降低至177×10-6。
圖9 NO排放體積分?jǐn)?shù)隨EGR率的變化
由于再循環(huán)廢氣具有較大的比熱容,在同樣放熱條件下,缸內(nèi)最高溫度隨著EGR率的增大而顯著下降,因而湍流快速燃燒結(jié)束時的NO生成量也急劇下降,因而EGR是降低氫燃料內(nèi)燃機(jī)NO排放的有效手段。
a) 氫氣在缸內(nèi)的燃燒經(jīng)歷了橢球型火焰穩(wěn)定傳播和大范圍湍流燃燒兩個階段,氫氣火焰前鋒面內(nèi)存在高濃度的OH基,燃燒過程持續(xù)的時間很短,燃燒速度很快,氣缸內(nèi)最高溫度超過3 200 K;
b) 隨著火焰?zhèn)鞑ィ變?nèi)的高溫區(qū)域不斷增大,溫度在湍流快速燃燒結(jié)束時出現(xiàn)峰值;NO體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量隨著高溫區(qū)的增大和溫度的提高而增大,在快速燃燒結(jié)束,缸內(nèi)溫度下降時,NO質(zhì)量不斷下降,在溫度1 800 K時不再變化;
c) 氫燃料內(nèi)燃機(jī)快速燃燒結(jié)束時的溫度越高,反應(yīng)生成的NO越多;快速燃燒結(jié)束后,溫度下降得越快,NO的分解越少,最終的排放越高;采用EGR技術(shù)能夠降低缸內(nèi)溫度,大幅度減少NO生成;低轉(zhuǎn)速可以使NO分解更充分,降低NO排放質(zhì)量。