點火提前角對氫發(fā)動機NOx排放的影響

卓光鋒，阿俊利

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

前言

生態(tài)環(huán)境惡化和石油資源短缺是 21世紀(jì)世界各國共同面臨的兩個重大問題，尋找替代的清潔能源是人類所做的必然選擇。氫能源以其潔凈性和資源的永久再生性等獨特優(yōu)勢使得氫燃料汽車的開發(fā)與研究正在受到世界各國的青睞。氫燃料發(fā)動機的排放產(chǎn)物中既無碳?xì)淙剂先紵a(chǎn)生的CO、HC和碳煙等有害排放物，也無近年已被公認(rèn)是引起環(huán)境惡化的主要因素之一的CO2，它唯一的有害排放物是NOX[1]，氫可謂是未來汽車的理想燃料。雖然氫氣用作內(nèi)燃機燃料時排放物只有NOX，但NOX排放量卻很高。本文運用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法重點研究點火時刻對氫內(nèi)燃機 NOX排放特性的影響，為氫內(nèi)燃機的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

1 研究對象

本文的研究對象是一臺由嘉陵JH600汽油機改裝而成的四氣門PFI單缸氫發(fā)動機，其基本參數(shù)為：缸徑94mm、行程85mm、壓縮比6.7、最大功率30KW、最大功率轉(zhuǎn)速6000rpm。根據(jù)該研究對象的實際尺寸和基本參數(shù)利用Pro/E建立其三維計算模型。由于該氫發(fā)動機的進氣管、燃燒室和排氣管部分的幾何模型關(guān)于過氣缸軸線的平面對稱，為簡化計算，該研究的計算模型只取其中一半。

本文數(shù)值模擬計算中，燃燒模擬進行一個工作循環(huán)，從進氣門打開開始計算，到下個循環(huán)進氣門打開結(jié)束。定義發(fā)動機進氣上止點為360°CA,燃燒上止點為720°CA。其具體配氣相位如下：氣門重疊期為：351°CA-394°CA、進氣階段為：394°CA-634°CA、壓縮做功階段為：634°CA-866°CA、排氣階段為：866°CA-1071°CA。

為了確保計算的精簡、快速，對每個過程都進行了單獨的定義，并對進排氣口、氣門和氣門座附近進行了局部細(xì)化。本文在模擬時考慮了初始條件和邊界條件對工質(zhì)的影響。本次模擬計算時所采用的初始條件與邊界條件均來自于經(jīng)驗值。初始條件缸內(nèi)初始溫度950K，缸內(nèi)初始壓力0.108MPa。邊界條件為：空氣進口壓力 0.1Mpa、排氣出口壓力為0.106Mpa、進氣道固定壁面溫度為300K、排氣道固定壁面溫度為600K、氣缸壁固定壁面溫度為480K、活塞移動壁面溫度為600K。

2 模擬方案

合理的點火正時是改善氫發(fā)動機性能和抑制異常燃燒的礎(chǔ)，點火提前角的設(shè)定對氫發(fā)動機的排放有著重要的影響。氫發(fā)動機有害排放物中只有 NOX，其中對環(huán)境影響最大的是NO和 NO2，氫發(fā)動機排氣中的NOX污染，主要是指NO及NO2污染，其中NO2的含量比NO低得多，大約為5%左右，所以氫發(fā)動機NOX排放的研究主要指NO。而氫發(fā)動機排氣中的NO基本上指高溫NO，它的反應(yīng)只有在大于1600℃的高溫下才能進行[2]。

本文選取的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 4500r/min，單孔單次噴射，噴孔位置在進氣歧管的鼻梁上。固定噴氫時刻為 414°CA。選取氫發(fā)動機的點火時刻為研究對象，設(shè)置點火時刻為 695°CA、700°CA、702.5°CA、705°CA，研究點火時刻對氫發(fā)動機排放特性的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 不同點火時刻對缸內(nèi)壓力與溫度的影響

圖1 不同點火時刻缸內(nèi)壓力變化曲線

圖2 不同點火時刻缸內(nèi)燃燒溫度變化曲線

由圖1可以看出隨點火提前角的增大，缸內(nèi)壓力峰值逐漸增大，且壓力峰值出現(xiàn)的時刻也逐漸提前。隨著點火時刻的提前，在活塞到達(dá)上止點前氣缸內(nèi)參與燃燒的燃料的量增大，在點火初期，缸內(nèi)氣體正處于壓縮的末期，此時缸內(nèi)的氣流流動較強，氫氣和空氣的混合強度較高，湍流強度較大，而湍流強度與火焰?zhèn)鞑ニ俾食示€性關(guān)系，混合氣燃燒速率會加快，從而發(fā)動機的定容程度高，熱功轉(zhuǎn)換效率提高，所以缸內(nèi)氣體壓力伴隨著壓力峰值的提前，氣體燃燒壓力逐漸增大。

由圖2可知，以點火時刻695°CA為例。缸內(nèi)溫度曲線隨曲軸轉(zhuǎn)角先升高后降低。缸內(nèi)溫度隨壓縮溫度逐漸升高，經(jīng)過短暫的滯燃期，缸內(nèi)燃料開始燃燒氣缸內(nèi)溫度升高率增大，與壓縮溫度分離并逐漸增大，直至最高燃燒溫度曲軸轉(zhuǎn)角在747°CA達(dá)到1943K，此時燃燒室主要容積已被火焰充滿，混合氣燃燒速率開始降低，加上活塞向下止點加速移動，氣缸溫度開始下降。且隨點火時刻的提前，燃料燃燒放熱的始點提前，燃燒的定容度增大，由此導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣撸紵俣燃涌?，燃料的放熱率峰值越來越靠近上止點。此外，隨著點火時刻提前，傳熱損失減小，因此缸內(nèi)燃燒溫度峰值呈增加的趨勢。

3.2 點火提前角對NO排放的影響

圖3 不同點火時刻下NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖3所示當(dāng)空燃比一定時，隨點火提前角增大，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大。增大點火提前角使較大部分的燃料在壓縮上止點前燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力增大，缸內(nèi)燃燒溫度隨之增大，而且隨著點火提前使得已然氣體在高溫下停留的時間加長，這兩個因素都會導(dǎo)致NO排放量的增大。因此延遲點火有利于有效地降低NO的排放。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬與理論研究相結(jié)合的方法，研究了點火時刻對NO排放的影響，由上文分析可以清楚地看出：點火提前角是影響NO排放的重要運轉(zhuǎn)參數(shù)，推遲點火可以有效地降低氫發(fā)動機NO的排放。

[1] 楊振中.氫燃料發(fā)動機燃燒與優(yōu)化控制[D].杭州:浙江大學(xué),2001.

[2] 張翠萍.內(nèi)燃機排放與控制[M].機械工業(yè)出版社.