李岳林，沈嘉誠(chéng)

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410114）

近年來(lái)，學(xué)者們除了尋求新的清潔可替代燃料降低現(xiàn)有傳統(tǒng)汽油機(jī)油耗和排放[1]外，還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式進(jìn)行了改良，以滿足更加嚴(yán)格的排放法規(guī)。HCCI是一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式，它與傳統(tǒng)的壓燃式（CI）柴油機(jī)與火花點(diǎn)燃式（SI）汽油機(jī)在一定程度上有相似之處但又有所不同[2]，即著火時(shí)缸內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)共同燃燒的點(diǎn)，無(wú)明顯的火焰前鋒，而且燃燒速度快、效率高、燃燒溫度相對(duì)較低，分布較為均勻，NOx排放也相對(duì)較低[3]。氫氣摻入對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放等各方面有較大的影響，主要影響有著火時(shí)刻、缸內(nèi)溫度、缸內(nèi)壓力、NOx和CO2的排放[4-5]，所以在石油資源不斷枯竭和溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重的今天，摻氫天然氣HCCI結(jié)合了清潔、可替代燃料和新型燃燒方式的優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。

氫氣作為天然氣燃料的添加劑，可以降低運(yùn)行成本[6]，改變天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻，提高天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒動(dòng)力性能[7-8]。PORPATHAM等[9]最先在AVL單缸機(jī)上對(duì)摻氫天然氣燃料的燃燒進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明摻氫可以使點(diǎn)火提前角推后，從而使火焰溫度下降，可減小NOx排放。汪碩峰等[10]在一臺(tái)加裝了電控氫氣噴射系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)上就進(jìn)氣摻氫體積分?jǐn)?shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，摻氫后發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率升高，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)降低。對(duì)摻氫天然氣均值壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的研究還不是很充分，本文將在摻氫體積比為5%時(shí)，就不同運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)燃燒特性的影響進(jìn)行研究。采用控制變量法研究了4個(gè)不同運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)（表1）的變化（轉(zhuǎn)速、過(guò)量空氣系數(shù)以及進(jìn)氣溫度與壓力）對(duì)摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，為實(shí)際改善摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低污染物排放提供理論依據(jù)。

表1 不同運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)

1 模型建立

1.1 反應(yīng)機(jī)理

運(yùn)用Chemkin對(duì)摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，需要導(dǎo)入相應(yīng)的重整反應(yīng)機(jī)理與燃料燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。在 Chemkin模擬計(jì)算中，選擇天然氣研究所 （Gas Research Institute，GRI）Mech 3.0化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[11]，其包括53種物質(zhì)，325個(gè)基元反應(yīng)式，有 C1反應(yīng)、C2反應(yīng)、甲醛和 NOx形成機(jī)理以及N化學(xué)機(jī)理。

1.2 控制方程

采用封閉內(nèi)燃機(jī)燃燒的反應(yīng)器來(lái)模擬HCCI條件下天然氣與氫氣的混合燃燒特性。假設(shè)混合氣為理想氣體，缸內(nèi)的混合氣工質(zhì)處于密封的狀態(tài)、無(wú)氣體泄露。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，壓力可以表示為：

式中：ρ為密度，kg/m3；R為比例常數(shù)；T為理想氣體的熱力學(xué)溫度，為混合氣的平均摩爾質(zhì)量，kg/mol。

控制方程可以看作一個(gè)由Yk和T組成的k+1個(gè)未知數(shù)的一階非線性方程組：

式中：v為比容，m3/kg；ek為混合氣中第k種組分的內(nèi)能為混合氣中第k種物質(zhì)的量變化率，mol/(m3·s)；Wk為混合氣中第k種物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，kg/mol；m為混合氣總質(zhì)量，kg；V為系統(tǒng)的容積，m3；Yk為混合氣中第k種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；cv,k為混合氣中第k種組分的比熱容，J/(kg·K)。

1.3 幾何模型

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)單缸幾何模型示意圖，其中虛線面積為掃氣容積。在均質(zhì)燃燒模型中，一般采用掃氣容積來(lái)表示時(shí)間函數(shù)，則時(shí)間函數(shù)隨曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)單缸幾何模型

壓縮比表示為：

式中：D為缸徑，m；LA為曲軸半徑，m；VC為余隙容積，m3。

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿與曲軸半徑的比值表示為：

式中：LC為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿長(zhǎng)度，m。

曲軸轉(zhuǎn)角速率表示為：

式中：θ為曲軸轉(zhuǎn)角，rad；t為時(shí)間，s。

根據(jù)式（3）～（5）可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸掃氣容積隨壓縮比、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿和曲軸轉(zhuǎn)角變化的函數(shù)方程：

式中：V(t)為t時(shí)刻時(shí)的氣缸容積。將式（6）對(duì)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸掃氣容積的變化率為：

聯(lián)立方程組式（2）和式（7）可計(jì)算出HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中的壓力、溫度以及各物質(zhì)組分摩爾分?jǐn)?shù)的變化。

1.4 傳熱模型

將進(jìn)氣門關(guān)閉作為計(jì)算起始點(diǎn)，放熱率如式（8）所示。

式中：m為缸內(nèi)工質(zhì)物質(zhì)的量，mol；u為氣體內(nèi)能，J；?為曲柄轉(zhuǎn)角，rad；QW為傳給缸壁的熱量，J。

采用Woschni經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)傳給缸壁的熱量：

式中：QW為傳給缸壁的熱量，J；As為有效傳熱面積，m2；T為工質(zhì)溫度，K；Tm為缸壁溫度，K。傳熱系數(shù)h定義為：

式中：B為缸徑，m；P為缸內(nèi)壓力，Pa；T為缸內(nèi)溫度，K。

2 模型驗(yàn)證

為了對(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，在搭建好的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型仿真平臺(tái)上，對(duì)摻氫體積比為5%的天然氣HCCI過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。以ZS195非增壓水冷直噴式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為幾何模型的初始輸入?yún)?shù)（表2）。

表2 ZS195結(jié)構(gòu)參數(shù)

模擬燃空當(dāng)量比為0.3、進(jìn)氣溫度為442 K、進(jìn)氣壓力為0.1 MPa、壓縮比為17.8、轉(zhuǎn)速為1000 r/min時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力值和缸內(nèi)溫度值，并將模擬得到的數(shù)值分別與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)以ZS195發(fā)動(dòng)機(jī)為原型，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。天然氣與氫氣混合氣按比例預(yù)先在高壓氣瓶中混合，以噴入氣缸。摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)采用KN-2電加熱器加熱，Pt100熱電偶測(cè)量進(jìn)氣溫度，缸內(nèi)壓力信號(hào)傳感器采用Kistler 6052A，曲軸信號(hào)傳感器采用Kistler 2613B，信號(hào)放大器為Kstler 5019B，燃燒分析儀為Kistler 2893 KiBox，尾氣分析儀采用Horiba MEXA-7100DEGR。模擬得到的缸內(nèi)壓力值、缸內(nèi)溫度值和NOx排放值分別與試驗(yàn)值對(duì)比，如圖2～4所示。由圖可知，數(shù)值模擬計(jì)算得出的缸內(nèi)壓力值與試驗(yàn)值誤差為6.32%，缸內(nèi)溫度值誤差為3.68%，NOx排放誤差值為3.16%。這表明建立的燃燒模型可以較為準(zhǔn)確地對(duì)摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖2 缸內(nèi)壓力對(duì)比曲線

圖3 缸內(nèi)溫度對(duì)比曲線

圖4 NOx摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)比曲線

圖5和圖6是在轉(zhuǎn)速為1000 r/min，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，過(guò)量空氣系數(shù)為2，進(jìn)氣溫度為460 K的運(yùn)行工況下，模擬計(jì)算得到摻氫體積比為0%、2%和5%時(shí)的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的缸內(nèi)溫度與壓力變化曲線。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同摻氫比對(duì)燃燒特性的影響

圖5 不同摻氫比下缸內(nèi)壓力變化曲線

由圖5和圖6可知，隨著摻氫體積比的增大，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)刻隨著摻氫比的增大而不斷提前，但提前的幅度有所降低。這是因?yàn)闅錃獾娜紵俣缺忍烊粴饪?。缸?nèi)最大壓力升高，缸內(nèi)最高溫度也升高。這是因?yàn)闅錃馊紵俾士?，加快了摻氫天然氣混合后燃料的燃燒速率。隨著摻氫比的不斷增大，壓燃著火時(shí)刻在不斷提前，著火時(shí)的活塞距離發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸上止點(diǎn)的位置也不斷逼近，所以缸內(nèi)最大壓力和缸內(nèi)最高溫度升高。

圖6 不同摻氫比下缸內(nèi)溫度變化曲線

圖7是在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下模擬計(jì)算得到摻氫體積比為0%、2%和5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的放熱率變化曲線。

圖7 不同摻氫比下的燃燒放熱率變化曲線

由圖7可知，隨著摻氫比的增大，天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的放熱率逐漸升高。這是因?yàn)闅錃獾捏w積熱值高，與天然氣混合后，增大了混合燃料的體積熱值。此外，隨著摻氫比的增大，著火時(shí)刻不斷提前，這表明稀摻氫有利于提高天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒動(dòng)力性。

圖8是在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下模擬計(jì)算得到摻氫體積比為0%、2%和5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生成的NOx摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線。生成NOx的摩爾分?jǐn)?shù)隨摻氫體積比的增大而升高，這是因?yàn)樘烊粴鈸饺霘錃饣旌虾笕剂系捏w積熱值增大，提高了HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中的缸內(nèi)溫度與燃燒放熱，而NOx的生成主要受高溫高壓影響，所以摻氫導(dǎo)致天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中的NOx排放量增加。

圖8 不同摻氫比下NOx摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線

3.2 轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒特性的影響

圖9和圖10是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，在過(guò)量空氣系數(shù)為2，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，進(jìn)氣溫度為460 K的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，轉(zhuǎn)速分別為800 r/min、1000 r/min和1200 r/min時(shí)的燃燒過(guò)程中缸內(nèi)壓力和溫度變化曲線。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力變化曲線

圖10 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)溫度變化曲線

由圖9和圖10可知，隨著轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增至1200 r/min，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中的缸內(nèi)壓力和溫度峰值無(wú)明顯變化，但著火時(shí)刻有所提前。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增加使HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上行速度加快，缸內(nèi)溫度和壓力提高速度加快，導(dǎo)致著火時(shí)刻提前，但過(guò)大的轉(zhuǎn)速會(huì)使著火時(shí)刻過(guò)于靠前。

圖11是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，轉(zhuǎn)速分別為800 r/min、1000 r/min和1200 r/min時(shí)的燃燒放熱率變化曲線。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的增大，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱率無(wú)明顯變化，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的溫度和壓力最大值無(wú)明顯變化所致。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下燃燒放熱率變化曲線

圖12是在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，轉(zhuǎn)速分別為800 r/min、1000 r/min和1200 r/min時(shí)的NOx摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線。隨著轉(zhuǎn)速的增加，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中生成的NOx摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。這是由于轉(zhuǎn)速的增加使HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上行速度加快，摻氫天然氣混合燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相對(duì)減少，導(dǎo)致NOx的生成量也減少。

圖12 不同轉(zhuǎn)速下NOx摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線

在摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，增大轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)的溫度、壓力和燃燒放熱率基本無(wú)影響，但過(guò)大的轉(zhuǎn)速會(huì)使著火時(shí)刻過(guò)于靠前；增大轉(zhuǎn)速致使摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生成的NOx量有所降低。

3.3 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃燒特性的影響

過(guò)量空氣系數(shù)選取的值從1.5變化到2.5，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)的組分也隨之發(fā)生變化。為保持每次缸內(nèi)工質(zhì)的摩爾總數(shù)為1，計(jì)算出了不同過(guò)量空氣系數(shù)下缸內(nèi)工質(zhì)組分的數(shù)值，見表3。

表3 不同過(guò)量空氣系數(shù)下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)組分?jǐn)?shù)值

圖13和圖14是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)速為1000 r/min，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，進(jìn)氣溫度為460 K的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，過(guò)量空氣系數(shù)分別為1.5、2和2.5時(shí)，燃燒過(guò)程中的缸內(nèi)壓力和溫度變化曲線。由圖可知，隨著過(guò)量空氣系數(shù)從1.5增至2.5，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中缸內(nèi)溫度和壓力最大值均有不同程度的降低，但著火時(shí)刻稍有提前。過(guò)量空氣系數(shù)從1.5增至2.5的過(guò)程中，溫度最大值降低了478 K，壓力最大值降低了1.55 MPa。

圖13 不同過(guò)量空氣系數(shù)下缸內(nèi)壓力變化曲線

圖14 不同過(guò)量空氣系數(shù)下缸內(nèi)溫度變化曲線

圖15是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，過(guò)量空氣系數(shù)分別為1.5、2和2.5時(shí)的燃燒放熱率變化曲線。過(guò)量空氣系數(shù)的提高使摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱率出現(xiàn)明顯的降低。這是因?yàn)樵诒３置看胃變?nèi)工質(zhì)的總摩爾數(shù)為1不變的情況下，增大過(guò)量空氣系數(shù)導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)的混合燃料比重降低，所以缸內(nèi)混合燃料體積熱值降低，燃燒放熱也變低，缸內(nèi)壓力和溫度也隨之降低。

圖15 不同過(guò)量空氣系數(shù)下燃燒放熱率變化曲線

圖16是在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，過(guò)量空氣系數(shù)分別為1.5、2和2.5時(shí)的NOx摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線。隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，燃燒過(guò)程中生成的NOx摩爾分?jǐn)?shù)明顯降低。由于過(guò)量空氣系數(shù)變大，即缸內(nèi)空氣質(zhì)量變大，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)工質(zhì)的氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)也隨之變大，致使混合燃料燃燒生成NOx的量變大，但真正起主導(dǎo)作用的是過(guò)量空氣系數(shù)的增加使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒壓力和溫度大幅度降低，導(dǎo)致缸內(nèi)混合燃料燃燒生成NOx的摩爾分?jǐn)?shù)大大減少，所以結(jié)果表現(xiàn)為摻氫天然氣混合燃料燃燒生成NOx的量大幅度降低。

圖16 不同過(guò)量空氣系數(shù)下NOx摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線

在摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，增大過(guò)量空氣系數(shù)，可有效降低NOx的排放，但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的溫度、壓力和燃燒放熱率有所降低，同時(shí)著火時(shí)刻無(wú)明顯變化。這體現(xiàn)出摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能來(lái)減少NOx的排放。

3.4 進(jìn)氣壓力對(duì)燃燒特性的影響

圖17和圖18是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，在進(jìn)氣溫度為460 K，轉(zhuǎn)速為1000 r/min的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，進(jìn)氣壓力分別為0.1 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa時(shí)，燃燒過(guò)程中的缸內(nèi)壓力和溫度變化曲線。由圖可知，隨著進(jìn)氣壓力的提高，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中的缸內(nèi)壓力顯著升高，著火時(shí)刻提前，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度影響較小。進(jìn)氣壓力提高0.04 MPa，著火時(shí)刻提前了2.0°，缸內(nèi)壓力最大值提高了3.13 MPa。

圖17 不同進(jìn)氣壓力下缸內(nèi)壓力變化曲線

圖18 不同進(jìn)氣壓力下缸內(nèi)溫度變化曲線

圖19是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，進(jìn)氣壓力分別為0.1 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa時(shí)的燃燒放熱率變化曲線。由圖可知，隨著進(jìn)氣壓力的變大，燃燒放熱率也在變大，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力增大的緣故。

圖19 不同進(jìn)氣壓力下燃燒放熱率變化曲線

圖20是在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，進(jìn)氣壓力分別為0.1 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa時(shí)生成的NOx摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線。隨著進(jìn)氣壓力的增加，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中生成的NOx摩爾分?jǐn)?shù)增多。這是因?yàn)檫M(jìn)氣壓力的變大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度略有增長(zhǎng)，且NOx排放量受缸內(nèi)溫度和壓力的影響較大，所以NOx排放量也有所增長(zhǎng)。

在摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，增大進(jìn)氣壓力，致使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率明顯提高，著火時(shí)刻提前，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的溫度影響較?。辉龃筮M(jìn)氣壓力使生成NOx的量增多。

圖20 不同進(jìn)氣壓力下NOx摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線

3.5 進(jìn)氣溫度對(duì)燃燒特性的影響

圖21 不同進(jìn)氣溫度下缸內(nèi)壓力變化曲線

圖22 不同進(jìn)氣溫度下缸內(nèi)溫度變化曲線

圖21和圖22是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)速為1000 r/min，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，過(guò)量空氣系數(shù)為2的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，進(jìn)氣溫度分別為440 K、450 K和460 K時(shí)的燃燒過(guò)程中缸內(nèi)壓力和溫度變化曲線。由圖可知，隨著進(jìn)氣溫度的提高，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中的缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度都有所提高，著火時(shí)刻提前。進(jìn)氣溫度增加20 K，缸內(nèi)溫度最大值提高62.7 K，著火時(shí)刻提前7.0°。缸內(nèi)壓力隨著進(jìn)氣溫度的增加而升高的原因在于，進(jìn)氣溫度的提高導(dǎo)致燃燒室內(nèi)燃料的著火時(shí)刻提前，即燃料在活塞接近上止點(diǎn)時(shí)開始自燃，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的壓力高。

圖23是摻氫體積比為5%的摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，進(jìn)氣溫度分別為440 K、450 K和460 K時(shí)的燃燒放熱率變化曲線。由圖可知，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱率隨著進(jìn)氣溫度的變大而升高。這是因?yàn)檫M(jìn)氣溫度的增大使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度升高，導(dǎo)致燃燒放熱率增加。

圖23 不同進(jìn)氣溫度下燃燒放熱率變化曲線

圖24是在當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下，進(jìn)氣溫度分別為440 K、450 K和460 K時(shí)的NOx摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖可知，隨著進(jìn)氣溫度的升高，摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中生成的NOx摩爾分?jǐn)?shù)增多。這是因?yàn)檫M(jìn)氣溫度的增加導(dǎo)致HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度升高，而NOx的生成主要受高溫影響，所以NOx的排放量增多。

圖24 不同進(jìn)氣溫度下NOx摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線

在摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，增大進(jìn)氣溫度，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度有所提高，燃燒放熱率有所提升，著火時(shí)刻提前，但會(huì)導(dǎo)致生成NOx的量增多。改變進(jìn)氣溫度對(duì)控制摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)刻具有積極意義。

3.6 主要基元化學(xué)反應(yīng)對(duì)燃燒特性的影響

對(duì)CH4凈生成速率影響較大的主要基元化學(xué)反應(yīng)見表4。

表4 對(duì)CH4凈生成速率影響較大的主要基元化學(xué)反應(yīng)（k = A·Tb·exp(-E/RT )）

隨著摻氫體積比的不斷增加，天然氣混合燃料化學(xué)反應(yīng)中的自由基O和OH摩爾分?jǐn)?shù)上升，CH4參與的R11和R98基元反應(yīng)速率也在增加，加快了CH4的分解。因此，隨著摻氫比例的增加，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率都在上升。

當(dāng)轉(zhuǎn)速不斷增加，卻只有活塞上行速度加快，便不能對(duì)CH4參與的基元反應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。因此，隨著轉(zhuǎn)速的提高，對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率影響較小。

過(guò)量空氣系數(shù)值從1.5變化到2.5，致使摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)的組分也隨之發(fā)生變化，為保持每次缸內(nèi)工質(zhì)的摩爾總數(shù)為1，CH4和H2的組分相應(yīng)下降，導(dǎo)致CH4參與的基元反應(yīng)總體減少，缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率都隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加而減少。

隨著進(jìn)氣壓力的提高，單位體積內(nèi)分子濃度增大，CH4參與的基元反應(yīng)速率增加，但CH4的總體數(shù)量沒(méi)變，總體化學(xué)能隨進(jìn)氣壓力不變，只是加速了CH4的分解。因此，進(jìn)氣壓力的增大對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率產(chǎn)生正比影響，對(duì)缸內(nèi)溫度影響較小。

進(jìn)氣溫度的升高，反應(yīng)活化分子數(shù)增加，有效碰撞增加，基元化學(xué)反應(yīng)速率加快。因此，隨著進(jìn)氣溫度的增加，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率上升。

對(duì)H、O和OH凈生成速率影響較大的主要基元化學(xué)反應(yīng)見表5。

表5 對(duì)H、O和OH凈生成速率影響較大的主要基元化學(xué)反應(yīng)（k = A·Tb·exp(-E/RT )）

氫氣的加入導(dǎo)致天然氣混合燃料中的自由基H、O和OH的摩爾分?jǐn)?shù)增加。自由基H、O和OH主要參與的R38、R84基元化學(xué)反應(yīng)速率隨著摻氫體積比的增大而增大。R84基元化學(xué)反應(yīng)速率加快，使自由基H的摩爾分?jǐn)?shù)增多，此后又加快了R38基元化學(xué)反應(yīng)速率，致使自由基O和OH的摩爾分?jǐn)?shù)增加。自由基O和OH的摩爾分?jǐn)?shù)增加，加速了CH4主要基元化學(xué)反應(yīng)。因此，隨著摻氫比例的增加，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率上升。

而不同轉(zhuǎn)速、過(guò)量空氣系數(shù)、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度對(duì)生成H、O和OH基元化學(xué)反應(yīng)的影響與上文類似。

對(duì)NO和NO2凈生成速率影響較大的主要基元化學(xué)反應(yīng)見表6。

表6 對(duì)NO和NO2凈生成速率影響較大的主要基元化學(xué)反應(yīng)（k = A·Tb·exp(-E/RT )）

隨著摻氫體積比的增大，生成NO的摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增加。這是由于摻氫加快了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)天然氣的燃燒，致使缸內(nèi)的溫度和壓力峰值變高，而NO在氮氧化物的排放量中占主導(dǎo)地位，NO的生成受缸內(nèi)溫度影響較大，主要在高溫高壓的燃燒情況下生成。R179和R186基元化學(xué)反應(yīng)速率隨摻氫比的增加而增加，使生成NO摩爾分?jǐn)?shù)的速度加快。R186基元化學(xué)反應(yīng)是NO2的生成反應(yīng)，也隨摻氫比的增大而增大。

當(dāng)轉(zhuǎn)速不斷增加，導(dǎo)致HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上行速度加快，R179和R186基元化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相對(duì)減少，以至生成NOx的量相應(yīng)較小幅度地減少。

隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒壓力和溫度大幅度降低，致使缸內(nèi)NOx基元化學(xué)反應(yīng)減少。

進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度的增加，致使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度升高，R179和R186基元化學(xué)反應(yīng)速率隨之增長(zhǎng)，NOx排放增加。

4 結(jié)論

（1）在摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，增加摻氫體積比，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、燃燒放熱率和燃燒生成NOx的量增高，著火時(shí)刻提前。

（2）增大轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)的溫度、壓力和燃燒放熱率基本無(wú)影響，但過(guò)大的轉(zhuǎn)速會(huì)使著火時(shí)刻過(guò)于靠前；增大轉(zhuǎn)速使摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生成NOx的量有所降低。

（3）增大過(guò)量空氣系數(shù)，可以有效地降低NOx的排放，但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的溫度、壓力和燃燒放熱率有所降低，不過(guò)著火時(shí)刻無(wú)明顯變化。

（4）增大進(jìn)氣壓力使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率明顯提高，著火時(shí)刻提前，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的溫度影響較?。辉龃筮M(jìn)氣壓力使摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)生成NOx的量增多。

（5）增大進(jìn)氣溫度，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度有所提高，燃燒放熱率有所提升，著火時(shí)刻提前；增大進(jìn)氣溫度會(huì)使摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生成NOx的量增多。