預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

(江蘇大學能源與動力工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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預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

(江蘇大學能源與動力工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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

柴油機； 預混合; 氫氣; 多次噴射； 燃燒； 排放

柴油機廣泛應用于工業(yè)與交通的各個領域，因此柴油機的排放問題倍受關注[1]。柴油機預混合氫氣是在柴油機的進氣道中加入均質預混的氫氣，可以實現(xiàn)缸內燃燒的分層分布和部分預混合的燃燒模式，能夠實現(xiàn)中小負荷工況下的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的發(fā)展，多次噴射技術也逐漸成為優(yōu)化燃燒過程和改善排放的重要手段，國內外許多專家學者對此進行了相關研究[4-6]。本研究采用AVL-Fire軟件對柴油機預混合氫氣燃燒模式進行模擬計算，分析不同噴射策略下預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[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[7]中的試驗數(shù)據(jù)進行了對比，其結果見圖2?？梢钥闯?，模擬計算得到的缸內壓力和缸內溫度結果與試驗所測得的結果基本吻合。從缸內溫度曲線可以看出，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。該溫度值與文獻中著火時刻的溫度1 073 K很接近。且此時對應的曲軸轉角為350°，與文獻中著火時刻對應的曲軸轉角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 缸內壓力和溫度的模擬與試驗結果對比

2 模擬結果與分析

2.1 預混合氫氣量的影響

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

保持燃油低熱值不變，假設混合燃料中氫氣質量分數(shù)為x，則相對應的柴油的質量為(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量(見表2)。

表2 氫氣和柴油的質量

圖3示出氫氣質量分數(shù)對缸內壓力、溫度和放熱率的影響，柴油噴油時刻保持不變以實現(xiàn)預混合燃燒方式。從圖中可以看到，隨著氫氣質量分數(shù)的增加，缸內最高燃燒壓力點前移，缸內最高壓力增大。 從溫度曲線可以看出，隨著氫氣質量分數(shù)的增加，缸內最高溫度增大。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，柴油燃燒引燃氫氣，在較短的時間內形成了多個穩(wěn)定的火焰中心，使得氫氣在較短的時間內被點燃，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，且隨著氫氣質量分數(shù)的增加，羥基自由基濃度增大，反應速度加快[9]，峰值位置提前。從放熱率曲線可以看出，隨著氫氣質量分數(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 缸內壓力、溫度、放熱率隨H2質量分數(shù)變化

圖4示出了氫氣質量分數(shù)對NOx和Soot質量分數(shù)的影響。隨著預混合氫氣比例的增加，缸內壓力和溫度升高，NOx質量分數(shù)升高，Soot質量分數(shù)降低。

圖4 氫氣質量分數(shù)對NOx和Soot質量分數(shù)的影響

2.2 噴射策略的影響

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

表3 預噴和后噴具體噴油策略

2.2.1 預噴策略的影響

2.2.1.1 預噴油量

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

圖5 預噴油量對缸內壓力、放熱率、NOx和Soot生成的影響

從圖5a中的缸內壓力和放熱率曲線可以看出，隨著預噴油量的增加，缸內壓力峰值升高，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，隨著預噴燃油的增加，預噴射產(chǎn)生的放熱量增加，缸內溫度升高，高溫區(qū)的形成增加了NOx排放[12]。預噴射燃油噴入缸體，由于缸內溫度較低，只發(fā)生低溫冷焰反應，不進行燃燒。當預噴射的燃料疊加到主噴射，造成預混合量增加，從而預燃燒溫度增加，NOx生成量增加。由于預噴射使得缸內氣體流動加劇，燃料混合更加充分，燃燒高溫抑制了Soot的生成。

2.2.1.2 預噴時刻

圖6示出了預噴量為10%，預混合10%氫氣時，不同預噴時刻下的缸內壓力、放熱率、NOx和Soot生成情況。從圖6a中的缸內壓力和放熱率曲線可以看出，隨著預噴間隔的增加，缸內壓力峰值增大，放熱率峰值降低，燃油在缸內提前燃燒，縮短了主噴階段的滯燃期，放熱始點前移。預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，隨著預噴間隔的增加，NOx排放升高；但預噴射縮短了滯燃期，有利于燃油混合氣的形成，減少了Soot排放。

圖6 預噴時刻對缸內壓力、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，缸內最高壓力減小，放熱率峰值逐漸遠離上止點，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的壓力影響也較小，從而缸內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質量分數(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中心區(qū)域氣體到達Soot質量分數(shù)較高的區(qū)域，氧化已生成的Soot，因此Soot質量分數(shù)降低。

圖7 后噴油量對缸內壓力、放熱率、NOx和Soot生成的影響

圖8 不同條件下的Soot質量分數(shù)云圖

2.2.2.2 后噴時刻

圖9示出了后噴噴油量為10%，預混合10%氫氣時的缸內壓力、放熱率、NOx和Soot生成情況。從圖9a中可以看出，缸內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；當后噴推遲到主噴時刻之后20°時，遠離放熱率峰值點，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的質量分數(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質量分數(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，但此時缸內壓力較大，油束較短，綜合作用下Soot質量分數(shù)變化不大。

圖9 后噴時刻對缸內壓力、放熱率、NOx和Soot生成的影響

3 結論

a) 隨著預混合氫氣質量分數(shù)的增加，缸內壓力和溫度升高，NOx排放指標惡化，Soot排放指標改善；

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

c) 在預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，缸內壓力和溫度降低；隨著后噴油量的增加，缸內壓力和放熱率稍微減?。浑S著后噴間隔角的增加，缸內壓力、放熱率以及NOx和Soot排放均未發(fā)生明顯變化。

[1] Johnson T V.Review of diesel emissions and control[J].Int J Engine Res，2009,10(5)：275-285.

[2] Saravanan N,Nagarajan G,Narayanasamy S.An experimental investigation on DI diesel engine with hydrog-

en fuel[J].Renewable Energy,2008,33(3):415-421.

[3] 劉興華,樊志強,酒建剛,等.較高當量比氫氣空氣預混合氣的燃燒特性[J].工程熱物理學報,2012，33(9):1639-1642.

[4] Tow T C,Pierpont D A,Reitz R D.Reducing particulate and NOxemissions by using multiple injections in a heavy duty D.I.diesel engine[C].SAE Paper 940897,1994.

[5] Ishikawa N,Uekusa T,Nakada T.DI diesel emission control by optimized fuel injection[C].SAE Paper 2004-01-0117.

[6] Minami T,Takeuchi K,Shimazaki N.采用預噴射減少柴油機的NOx排放[J].國外內燃機,1998,30(1):44-50.

[7] Zhou Huaxiang,Luo Rui,Zhou Zheng,et al.The NOxpurification new technology in diesel engine research[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,46(22):136-143.

[8] 姜大海,寧智,劉建華,等.預混合氫氣/柴油發(fā)動機燃燒及排放特性[J].燃燒科學與技術,2010,16(2):149-154.

[9] Liu Jie,Wang HeWu,Ouyang,et al.Kinetic modeling study of hydrogen addition to premixed dimethyl ether-oxygen-argon flames[J].Int J Hydrogen Energy,2011,36(24):15860-15867.

[10] Ma Fanhua,Ding Shangfen,Wang Yu,et al.Study on combustion behaviors and cycle-by-cycle variations in a turbocharged lean burn natural gas SI engine with hydrogen enrichment[J].Int J Hydrogen Energy，2008,33(23):7245-7255.

[11] Dimopoulos P,Rechsteiner C,Soltic P,et al.Increase of passenger car engine efficiency with low engine-out emissions using hydrogen-natural gas mixtures:a thermodynamic analysis[J].Int J Hydrogen Energy，2007,32(14):3073-3083.

[12] Nehmer D A,Reitz R D.Measurement of the Effect of Injection Rate and Split Injections on Diesel Engine Soot and NOxEmissions[C].SAE Paper 940668,1994.

[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

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

姚嘉琪(1990—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機噴霧與燃燒；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