氢燃料内燃机排放特性及机理(4) - 内燃机工程杂志社投稿_期刊论文发表|版面费|电话|编辑部- 内燃机工程

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氢燃料内燃机排放特性及机理(4)

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关键词:

摘要：

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。

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。

2.2NO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。

2.4NO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%。

文章来源：《内燃机工程》网址: http://www.nrjgczz.cn/qikandaodu/2021/0708/962.html