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氢燃料内燃机排放特性及机理(2)
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摘要:随着燃空当量比的增大,缸内最大爆发压力和缸内平均温度的峰值持续增大,最大压力和缸内温度峰值上升也更为迅速。说明氢气浓度增大时滞燃期和燃烧
随着燃空当量比的增大,缸内最大爆发压力和缸内平均温度的峰值持续增大,最大压力和缸内温度峰值上升也更为迅速。说明氢气浓度增大时滞燃期和燃烧持续期更短,这使得压力升高过程中缸内工质的等容度更高,有利于提高氢燃料内燃机的效率。同时,迅速地燃烧放热产生的缸内高温必然会导致大量的NOx排放。
2.2 NO的变化规律
NOx包含NO,NO2和N2O等成分,其中NO占主导地位。研究表明,整个高负荷区,NO占全部NOx排放的97%以上,是氢燃料内燃机NOx排放的主要组成部分[17]。本文主要分析NO的生成规律。以下通过分析火焰传播、温度变化和NO分布来揭示NO的生成过程以及产生机理。
图5给出了汽缸内OH分布随曲轴转角的变化规律。云图采用了与活塞平行和垂直的2个平面组合,以更好地显示浓度的空间分布。OH基是氢氧反应的主要中间基元,根据其浓度可知火焰的位置和强度。由图5可知,在火焰迅速发展的快速燃烧期(3~10 ℃A),火焰前锋面内的OH浓度随着火焰的传播不断增加,体积分数达到3.6%,远高于其后方的已燃区。
图6给出了温度随曲轴转角的变化规律。由于氢气的迅速燃烧和放热,火焰前锋面内的温度也明显高于其后部的已燃区。火焰前锋面局部温度达到3 500 K,而在其后方的已燃区,由于高温高压气体的膨胀,温度迅速降低到2 900 K左右。
图7给出了NO分布随曲轴转角的变化规律。高温造成了很高浓度的NO生成。火焰前锋面内NO浓度达到了极高的9%,而在已燃区内NO局部浓度迅速降低至3%。NO对温度非常敏感,温度大幅度下降造成已经产生的NO部分分解。在快速燃烧结束后(10~15 ℃A),由于放热基本结束,整个汽缸内充满了已燃气体,火焰前锋面消失后,极高浓度的NO区域消失。整个汽缸内气体逐步膨胀,温度持续降低,由于不同区域的温度差异不断减小,NO的浓度差异减小,汽缸内各个区域的NO浓度都在不断降低,汽缸内的NO总量不断减小。
2.3 不同燃空当量比下NO浓度随曲轴转角的变化规律
图8给出了不同燃空当量比下汽缸内NO总体积分数随曲轴转角的变化规律。由图可知,在高负荷区,NO的最终排放浓度均在1.5‰以上,在燃空当量比为0.8时,NO最终排放浓度出现6.424‰的峰值。高负荷的NO排放甚至高于传统内燃机。
由图8可知,在不同燃空当量比下NO质量随曲轴变化的规律略有不同:燃空当量比为0.6~0.7时,汽缸内的NO体积分数在快速燃烧期急剧增大,在快速燃烧结束后,NO体积分数略有下降,这说明缸内温度降低造成的NO分解并不显著。燃空当量比为0.8~1.0时,汽缸内的NO总量随火焰发展而急剧增大,在快速燃烧结束时出现很高的峰值,随即迅速下降,然后NO总量的下降趋势变缓,在这个区间内的NO分解是显著和无法忽视的。
结合图 4分析可知,快速燃烧期结束后的NO分解和温度的降低紧密相关。在缸内平均温度降低至2 200 K时,NO的分解接近停止,NO体积分数基本保持不变。高浓度混合气体产生很高的燃烧温度和汽缸内平均温度,2 916 K@燃空当量比1.0;2 264 K@燃空当量比0.6。从缸内最高温度降低至2 200 K的时间增大,因而NO的分解更加显著。这是高负荷时快速燃烧结束后NO浓度的下降趋势更为明显的主要原因。
2.4 NO生成路径及生成率
先前的研究认为,热NO路径、NNH-NO路径、N2O-NO路径是氢燃料内燃机NO生成的3种主要路径[18-20],在不同燃空当量比时,3种路径的贡献率如图9所示。
由图9可知,热NO对排放的贡献率最高,在燃空当量比为0.6时其贡献率为75.8%,而燃空当量比为1.0时达到了123.9%;N2O-NO和NNH-NO的贡献也比较重要,在燃空当量比为0.6时,二者的贡献率之和为24.2%,随着浓度和温度的升高,二者的贡献率降低,在燃空当量比为1.0时,二者的贡献率之和为-23.9%。
NO的最终排放取决于快速燃烧的生成和温度下降的分解两种作用,N2O-NO和NNH-NO两种路径的反应速率低于热NO路径,其逆向反应在燃空当量比为1.0时进行的时间很长而逆反应开始时NO的浓度很高,这两种路径对NO的分解作用大于生成作用,因而对NO排放的贡献率为负值。
3 结 论
1)随着燃空当量比的增大,缸内最大爆发压力和缸内平均温度的峰值持续增大,上升也更为迅速,说明氢气浓度增大时滞燃期和燃烧持续期更短,有利于提高氢燃料内燃机的效率。
2)在快速燃烧期(3~10 ℃A),火焰前锋面内的OH浓度和温度均明显高于其后部的已燃区,高温加快了NO生成,火焰前锋面内NO浓度也达到了最大值9%。在快速燃烧结束后(10~15 ℃A),汽缸内气体逐步膨胀,温度持续降低,NO浓度不断降低。
文章来源:《内燃机工程》 网址: http://www.nrjgczz.cn/qikandaodu/2021/0708/962.html
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