氢燃料内燃机排放特性及机理

传统内燃机产生大量的温室气体和有害排放，对环境造成不利的影响，因而寻找低碳排放的内燃机替代燃料很有必要[1-2]。氢气燃烧清洁且可再生，被一些研究者认为是性能较为优越的内燃机替代燃料[3-5]。一些汽车厂商如宝马、福特、长安分别研发了氢燃料内燃机(HICE)，并将其应用于汽车。示范运行的数据表明氢燃料内燃机具有较好的动力性和可靠性，而且几乎没有含碳排放[6-10]。

NOx是氢燃料内燃机主要的有害排放物。研究发现，氢燃料内燃机在高负荷时会产生大量的NOx排放，这是很难避免的；研究者们将NOx排放归结于缸内温度的升高，并发现采用稀薄燃烧、推迟点火、废气再循环等方法都能有效地降低NOx排放[11-14]。上述研究主要由试验得到了NOx排放随内燃机控制参数变化的规律，但鲜有对其生成机理的研究。

氮气在高温下的氧化是一个复杂的过程，采用化学反应动力学方法分析反应是有效的手段。本文基于已有的氢燃料内燃机试验样机建立三维网格耦合化学反应机理的CFD仿真模型，研究缸内燃烧和排放物生成过程，揭示氢燃料内燃机在不同负荷下的燃烧及排放生成规律。

1 方法和模型

1.1 氢燃料内燃机

用于建模的氢燃料内燃机是一台4缸4冲程自吸式火花点火发动机，每缸排量0.50 L。内燃机的主要参数见表1。

采用Pro-E软件建立内燃机的三维实体模型。为了简化计算，建模时忽略各缸进气的不一致性，最终三维实体模型仅包含单个汽缸、进排气道、氢气喷阀、气门，如图1所示。将实体模型以STL文件格式导入CONVERGE软件，设定不同区域的边界类型以及基础网格尺寸和加密规则，在进行仿真计算时CONVERGE软件会自动生成计算网格。本文设定的基础网格边长为8 mm。汽缸内部、边界、气门区域和点火区域分别加密2～4级。在点火和火焰前锋面等温度压力急剧变化的区域加密5级，火焰区的网格边长为0.5 mm，燃烧模拟时网格总数超过48万。

表1 氢燃料内燃机主要参数Tab.1 Main parameters of HICE参数取值燃料种类氢气着火方式火花点火内燃机排量/L1.998燃料供给方式进气道喷射汽缸数4汽缸直径/mm86活塞行程/mm82压缩比9.2∶1进气门开启角度/℃A-368进气门关闭角度/℃A-128排气门开启角度/℃A-560排气门关闭角度/℃A-354

1.2 燃烧模型

本文采用基于仿真初始值引导化学反应机理的SAGE模型，燃烧机理文件自主编写并存储在工作目录，在燃烧模拟时随时调用。燃烧机理文件以CHEMKIN 格式保存。本文选择GRI 3.0详细机理并对其进行简化。GRI 3.0机理包含69 步H-O-N基元反应，被研究者广泛引用并证明具有很高的精度[15]。基于敏感系数法简化后包含22步可逆基元反应，以文本文件存储。其中N-O反应机理包含常见的热NO路径、NNH-NO路径和N2O-NO路径，能够较为详尽地揭示NO的生成过程。

化学反应机理启动的温度设置为858 K。点火模型设置为能量释放模式。在开始点火的0.5 ℃A内将点火能量(本文设定为20 mJ)的60%释放在火花塞之间狭小区域内。在随后的2 ℃A释放其余的点火能量，从而在局部产生高温，使化学反应机理顺利启动。软件根据自带的反应物、中间物和生成物热力学参数计算缸内的热力过程。

1.3 流动、传热、喷射模型和仿真参数设定

缸内流动状况影响火焰的传播速度，采用RANG k-ε模型计算缸内的湍流，局部流动速度等于平均速度和波动速度的叠加。将氢气的喷射设置为单位质量流量。初始参数依据经验设置，主要边界条件是：活塞温度550 K，汽缸壁温度450 K，汽缸盖温度420 K。仿真步长设置为0.01 ℃A。

仿真时，采用节气门全开的方式，当燃空当量比从0.6增大到1.0，选取转速为3 000 r/min，点火提前角在-14°～4° BTDC(before top dead center)，计算热力学参数和反应基元浓度随曲轴转角的变化。

1.4 模型验证

采用仿真模型计算得到的NOx排放数值和试验数据[16]有较好的吻合度，如图2所示。仿真得到的NOx排放略低于试验值，最大误差为11.06%。仿真得到的燃烧速度比试验的更快，这和国外的研究成果一致，也是造成误差的主要原因。

2 结果与讨论

基于上述的仿真模型，仿真研究了不同燃空当量比的燃烧和排放特性。

2.1 缸内压力和温度的变化

图3和图4是不同燃空当量比下的缸内压力以及缸内平均温度的曲线。由图可知，燃空当量比为0.6时，最大爆发压力为5.08 MPa，最高平均温度为2 264 K；而燃空当量比为1.0时，最大爆发压力为6.32 MPa，最高平均温度为2 916 K。

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