不同EGR对氢内燃机的燃烧特性影响

任天乐，郭浩，楚朝阳

（华北水利水电大学，机械学院，河南 郑州 450011）

不同EGR对氢内燃机的燃烧特性影响

任天乐，郭浩，楚朝阳

（华北水利水电大学，机械学院，河南 郑州 450011）

本文基于fire三维CFD模拟软件，建立单缸进气歧管喷射的氢内燃机三维燃烧模型，重点研究了不同EGR率下，氢内燃机的压力场、温度场以及排放的变化。分析结果表明，随着EGR率的不断提高，氢内燃机的最高压力值、最高温度和压力升高率、温度升高率均下降，NO排放量大幅降低，但同时对动力性和经济性也有一定影响。

氢内燃机；EGR；NO排放

CLC NO.:U464.12Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-29-04

前言

近年来，采用氢气作为内燃机替代燃料的研究引起国内外高度重视，大量的实验研究表明氢气是一种高效清洁的燃料。内燃机燃用氢气完全可以获得与燃用汽油相似的运行性能[1]，而且更清洁。但是随着当量燃空比的增加，氢内燃机的燃烧温度急剧增高，使得NOx排放变得很严重，而NOx排放中NO是主要危害物。如何在提高氢内燃机功率的同时又不增加NO排放是研究人员所致力解决的一个问题。废气再循环( EGR)是个很好的选择，采用EGR 后，增大了缸内气体的比热容，减慢了燃烧速度，从而降低了燃烧温度并减少了NO排放[2]。

AVL公司的FIRE软件对内燃机进行计算流体

力学分析，拥有求解器FIRE、前处理器FAME和后处理器IMPRESS，不仅可以完成内燃机稳态计算，还可以精确计算内燃机瞬态过程。本研究基于FIRE软件，对氢内燃机的部分燃烧特性进行模拟分析。

1、研究设备与方法

本研究设备为日本三菱重工生产的K5A汽油机改造而成的氢内燃机，内燃机水平横置，单缸水冷，缸径85mm，冲程85mm，压缩比4.8，排量0.482L。本试验采用进气歧管喷射氢气，喷氢压力为0.2MPa。本文基于FIRE软件对氢内燃机的燃烧特性进行模拟，通过改变EGR率的大小，对氢内燃机燃烧过程中的压力场、温度场以及排放特性进行分析。

2、仿真研究

设定氢内燃机的转速n=2000r/min，空燃比λ =1.46，点火提前角为30°CA，通过不断改变EGR率的大小，得出EGR率变化对氢内燃机燃烧特性的影响。

2.1 不同EGR率下的压力场分析

本节分别设定EGR率为0.01、0.1、0.15和0.2，不同EGR率对应缸内压力曲线如图1所示。

从图1中可以明显看出，EGR率对氢内燃机的影响很大。增大EGR率，可致使氢内燃机缸内最高燃烧压力降低，压力升高率明显下降。当EGR率达到20%时，缸压降低效果明显。EGR率需在20%到30%以上才会有明显效果，但较大的EGR率会使输出功率和动力性下降[3]。

下表为两种不同EGR率下，氢内燃机在不同曲轴转角下的压力场分布：

表1 EGR率对缸内压力影响的三维模拟Table 1 3D simulation diagram of cylinder pressure under different EGR

从表1的三维模拟结果对比中可以发现，在各个曲轴转角下，EGR=0.2的压力场分布明显滞后于EGR=0.1时的压力场分布，而且大EGR下的缸内压力分布更加均匀，压力值更低。故而，较低的燃烧压力会使NO排放降低，但相应的动力输出变差。

2.2 不同EGR率下的温度场分析

由于氢气的扩散速度极快，在进气歧管喷射后，可以很快形成氢氧混合气并进行预混燃烧，所以氢内燃机没有柴油机的双峰值放热曲线。

图2是氢内燃机在四种不同EGR率工况下的瞬时放热率曲线，可明显看出，EGR率越大，燃烧持续的曲轴转角越长，燃烧放热率峰值随之降低，同时氢氧混合气的放热峰值的相位向后推移，燃烧持续期显著增大并后移。其原因主要是因为影响着火反应的最主要因素是浓度和温度：随着EGR率的增大，缸内混合气的浓度被大幅稀释；而且加入EGR后缸内气体比热容增大，故如图3所示，随着EGR

率增加，温度升高率减缓，温度峰值降低且后移。同时，由进气道循环回来的废气含有大量的NO、H2O和CO2等最终产物，导致氧化与裂解的正反应速率降低，而逆反应速度增大。

表2 不同EGR率下的缸内温度场分布The temperature distribution in cylinder under different EGR

氢内燃机在两种不同EGR率下的缸内温度场如上表2所示。可以发现，EGR=0.2时对燃烧的抑制更加明显，火焰传播变慢，燃烧持续期延长。这是因为通过EGR循环回来的废气中H2O和CO2分子的比热容很大，很强的吸热能力影响了混合气的燃烧过程。通过EGR废气循环大量回流时，预混层流火焰传播速度降低，导致缸内最高燃烧温度下降。同时由于上述原因，氢内燃机的燃烧持续期、火焰发展期和快速燃烧期均随EGR率的增加而相应增大。

总体来说，EGR会抑制缸内燃烧的剧烈倾向，使燃烧变得平缓；同时，燃烧放热率、温度升高率和最高温度均随着EGR的增大而降低。所以，适当的EGR可以使NO排放量降低[4]。

2.3 EGR对NO排放的影响

高温、富氧和反应时间决定NO的排放量。由以上对氢内燃机的缸内压力场和温度场的分析可以得知，缸内最大燃烧压力、最高燃烧温度及压力升高率、温度升高率均随着EGR率的增大而大幅降低。同时，随着EGR率的提升，缸内氧气浓度明显下降，且反应时间延长，故EGR是控制氢内燃机NO排放的有效手段。

如图4所示，随着EGR率的增大，NO排放的质量分数明显降低。当EGR率达到20%以上，降低效果非常明显。这是因为，当EGR率从0.01提升到0.2时，最高温度大幅下降，避开了NO大量生成的高温区，缸内的最高压力值也大幅下降（图1）；同时由于随着EGR率的增大，废气循环进入气缸，使得混合气中氧气浓度降低，配合较低的缸内压力和温度从而获得很低的NO排放。但是，较大的EGR率会使燃烧恶化，氢内燃机动力性、经济性和热效率变差，应用推广有很大局限，在实际应用中应当注意。

图5是不同EGR率下的NO生成率曲线。因为

在实际燃烧过程中，缸内始终存在少量废气，故将EGR=0.01时的情况近似看作EGR=0时的情况。由图看出，在不同EGR率下，NO的变化历程均类似，在上止点之后开始快速生成，上止点后35°CA之后反应速率趋于0，说明此时NO的生成已经几乎完成，燃烧后期虽然缸内温度很高，但混合气中的氧气基本消耗殆尽，所以没有大量NO生成。由于氢内燃机点火之后，火焰迅速传播，缸内温度急剧升高，完全具备了快速NO的生成条件，所以在火焰峰面后会产生大量的NO；随着EGR率增大，NO生成速率减小，NO最终生成量显著降低。所以，利用EGR可以很有效地降低NO排放量，以达到严格的排放法规所规定的限值[5]。

氢内燃机使用EGR对NO的排放抑制效果很明显，为深入揭示机理，下面对EGR率为0.1和0.2的两种工况下的微观三维模拟结果进行对比。

表3 不同EGR率下的缸内NO生成量三维模拟图The NO’s generation of 3D simulation diagram under different EGR

表3显示了氢内燃机在两种不同EGR率下的NO生成量三维模拟图。对比表2，在上止点720°CA时，图中的NO生成都是在高温区域内生成，同时NO的生成滞后于同曲轴转角下的温度场分布，这说明NO排放在需要高温富氧的同时，也需要充足的反应时间，模拟结果与实验结果是一致的。高温区的减少是导致氢内燃机NO排放降低的根本原因。在表3中，相同曲轴转角下，EGR率为20%时的NO生成量明显低于EGR率为10%时的生成量，并且生成范围较小。一方面是由于较大EGR率的燃烧更加滞后，EGR率为20%的燃烧室温度远低于EGR为10%时的温度，所以NO排放降低。另一方面，虽然每循环的喷氢量不变，但EGR量的增大导致混合气中氧气浓度降低，进而降低了NO的生成。

上述微观模拟分析结果和NO的生成量及反应速率的宏观分析结果是完全一致的，微观分析能更加直观清楚地揭示氢内燃机排放的发生过程[6]。

3、结论

本文重点模拟了不同EGR率下氢内燃机部分燃烧特性和排放特性的变化。对比不同工况下的模拟结果表明，在合适的EGR率下，可降低氢内燃机缸内最高燃烧压力、最高燃烧温度和压力升高率、温度升高率，使NO排放大幅降低，但同时要考虑EGR对氢内燃机动力性和经济性的影响。

[1] Berckm Her M , Rottengneber H , Eder A et al. Potentials of a charged SI- hydrogen engine [ R] . SAE Paper 2003-01-3210.

[2] 孙大伟,刘福水.热EGR对氢内燃机性能及排放影响的试验研究[J].内燃机学报,2009,27(2).

Sun Da-wei, L IU Fu-shui, Experimental Study on Performance and Emission of Hydrogen Internal Combust ion Engine Using Hot EGR[J], Transactions of CSICE, 2009,27(2).

[3] Yang ZHENZHONG, Wang LIJUN, Li JINGDING et al. Research on the Optimizing Control Technology Based on Fuzzy-Neural Network for Hydrogen Fueled Engines [J].International Journal of Hydrogen Energy,2006.(14): 2370-2377.

[4] 杨振中,师素娟,宋茂江.基于压力升高率的氢燃料发动机异常燃烧分析与控制[J].农业工程学报,2010,26(11): 124-129.

Yang Zhenzhong, Shi Sujuan, Song Maojiang. Analysis and control of abnormal combustion of hydrogen fueled engines based on pressure rise rate[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(11): 124-129.

[5] Endres H, Heuber H J, Wurms R. Influence of swift and tumble on economy and emissions of multi-valve SI engines [C].In: SAE Paper1992,920516.

[6] Stokes J, Lake T H, Christie M J, et a1.Improving the NOx/ fuel economy trad-off for gasoline engines with the CCVS combustion system[A]. In: SAE Paper1994,940482.

The Change of Hydrogen Fueled Engine's Combustion Characteristic under different EGR

Ren Tianle, Guo Hao, Chu Chaoyang
(North China university of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450011)

?In this paper, based on the three-dimensional CFD simulation software fire, the 3D simulation model of hydrogen fueled engine which is single-cylinder and intake manifold injection is established. The paper is mainly focused on the change of pressure field, temperature field and emissions of hydrogen fueled engine under different EGR rate. Analysis results show that with the constant improvement of the EGR rate, the highest pressure value, the highest temperature and pressure rise ratio and temperature rise ratio of hydrogen fueled engine are decreased, the emissions of NO is greatly reduced, but it also has some influence on the power and economy performance of hydrogen fueled engine.

Hydrogen fueled engine; EGR; Emissions of NO

U464.12

A

1671-7988(2014)02-29-04

任天乐，硕士研究生，华北水利水电大学，就读于主要研究方向：氢燃料发动机异常燃烧分析。