氢气添加对柴油发动机燃烧和排放特性的数值模拟

2020-06-05刘近平王秀峰

安阳工学院学报 2020年2期

刘近平，王秀峰

（安阳工学院，河南安阳455000）

随着汽车保有量的不断增加，面对石油资源短缺和环境污染加剧的双重压力，寻求新的可替代清洁燃料迫在眉睫。氢气作为一种清洁的可再生能源，本身燃烧不产生污染物，直接作为发动机的燃料或者添加剂加入到目前的发动机中比较容易实现，因此国内外一些学者对其在发动机中的燃烧特性进行了研究[1-3]。

Madhujit Deb团队[4]利用台架试验，深入研究了柴油与氢气混合对柴油机燃烧及排放过程的影响，氢气和空气在进气歧管处混合，柴油则采用缸内直喷技术，试验结果显示：氢气添加使得发动机的有效热效率明显上升，缸内压力的峰值和放热率急剧增加，随着氢气含量的增加，碳氧化物和微粒的排放有所降低、氮氧化物排放有所增加。Y Karagöz[5]更进一步研究了不同负荷下添加氢气对柴油发动机排放特性的影响，试验结果显示，发动机在部分负荷时，氢气添加后氮氧化合物和微粒的排放会基本保持不变，而发动机在全负荷的时候，氮氧化合物的排放由于氢气的添加而变得急剧升高。为了进一步考察氢气添加后对燃烧过程中主要中间产物的影响，罗旻烨[6]基于层流预混火焰研究了不同的氢气添加量对异辛烷燃烧产物和中间组分的影响，结果表明随着氢气的增加，氢气的热作用和稀释作用使得CO和CO2的摩尔分数下降，特别是得出了H、O和OH自由基的浓度随着氢气添加量的增加而减少的结论，对氢气影响燃烧过程的影响更推进了一步。由于柴油机的缸内燃烧过程非常复杂，柴油机中添加氢气后对缸内当量比的分布和燃烧放热过程的影响认识仍不充分，本文采用三维数值计算的方法，研究氢气添加对柴油机缸内燃烧过程和排放特性的影响。

1 计算模型

燃油的雾化蒸发过程直接影响燃烧、放热以及污染物的排放，AVL_Fire软件提供了丰富的模型选择，以满足不同情况燃油喷射的需求。

1.1 喷雾模型

目前比较常用的计算喷雾模型主要是离散液滴模型和连续液滴模型，这两种喷雾模型都是基于喷雾具有气液两相结构而建立的，用以模拟汽缸内混合气气体和液体交界面上相互之间的影响。本文计算中选取的破碎模型为TAB破碎模型[7]，该模型计算液滴在运动过程中受到空气阻力时发生变形。

y为计算时液滴最大直径，x为液滴离开平衡位置的位移，C为液滴变形判断常数，r0为未破碎时液滴的直径，球形液滴控制方程为

其中，U为液滴运行的速度；μl是液滴的黏度；ρg和ρl分别是气相和液相的密度。在计算过程中，只有当y＞1时，液滴发生破碎，碰壁模型选择的是O’Rourke和Amsden模型。

1.2 蒸发模型

本文液滴的蒸发过程采用Frossling Correla⁃tion模型，该模型计算液滴半径随时间的变化率，公式如下[7]：

上式中，r0是液滴的半径，ρl为液滴的密度，D为液滴蒸发到环境气体的质量扩散，Bd为蒸汽扩散系数，SHd为Sherwood数。

2 计算结果与分析

计算所采用的发动机燃烧室为ω型，压缩比为15：1，将 AVL-Fire 软件的2D Sketcher模块绘制的柴油机燃烧室剖面图（图1）导入CFD Workflow Manager模块，生成燃烧室的面网格，如图2所示。

图1 发动机燃烧室结构图

图2 不同曲轴转角下的二维网格

计算时所采用的发动机模型参数如表1所示。

表1 发动机技术参数

计算过程中，设置循环喷油量是40mg，EGR率为0，残余废气率是0.478，计算过程是从曲轴转角195°CA 到 400°CA。NOx排放选取 Extended Zel⁃dovic模型，氢气添加的比例分别为0%、3%和6%。

2.1 不同比例的氢气添加对燃烧过程的影响

图3是不同比例的氢气添加下缸内温度随曲轴转角变化的规律。从图中可以看出，在缸内燃烧过程发生后，添加氢气对温度的升高有较大的影响：氢气添加量为0%时缸内最高温度为1317 K，当氢气添加量为3%时最高温度为1500K，当氢气添加量为6%时最高温度达到了1740K。随着氢气添加量的逐渐增加，缸内的温度逐渐升高，同时缸内燃烧的着火点略有提前。这是因为进气过程中添加了氢气以后，混合气中的燃料含量有所增加，当量比加大，柴油喷入到缸内后开始雾化蒸发，氢气含量较大的情况下由于当量比大更容易提前着火，同时氢气的着火速度与柴油相比更快，因此缸内燃烧的着火始点略有提前。图4为不同氢气添加量下缸内温度变化的计算结果。从图中可以看出，在355°CA之前氢气添加对温度没有影响，说明在压缩过程中氢气并没有发生相应的氧化反应；随着燃烧过程的推进，氢气含量较多的区域更容易着火，例如在375°CA时刻，6%的氢气添加量下与0%的氢气添加量相比，高温区域明显扩大，同时缸内最高温度也相有所升高。

图3 不同比例的氢气添加对缸内温度的影响

2.2 不同比例的氢气添加对NO的影响

图5反映了不同比例的氢气添加对NO生成的影响。从图中可以看出，当氢气添加量为0%时NO的排放最高，当氢气添加量为3%时NO的生成最低，当氢气添加量为6%时NO的生成居中。NO的生成与缸内温度和氧气分子的含量有关，当氢气添加量为0%时，氧气分子含量较高，更有利于NOx的生成，但是此时缸内温度最低，NO不容易进一步氧化成其他的氮氧化物，因此NO浓度最高。当添加量为3%时，缸内氧气含量并不高，同时温度也不太高，在此环境下NOx不容易生成，因此NO的浓度最低。随着添加量的进一步加大，当添加量达到6%时，虽然氧气分子的含量有所降低，但是缸内的燃烧温度有了大幅度的提升，加剧了氮气和氧气的反应，缸内的NO含量也有一定程度的提升。图6为NO在不同氢气添加量下的缸内分布图。从图中可以清晰地看出，在氢气为0%添加量时，NO的缸内分布区域较最大，3%氢气添加量时NO的空间分布区域最小，这和上面的分析是一致的。

图4 不同比例的氢气添加量下缸内温度分布

图5 不同比例的氢气添加对NO生成的影响

2.3 不同比例氢气添加对碳烟生成的影响

图7是不同比例氢气添加对碳烟生成的影响。当氢气添加量为0%时，缸内碳烟生成量最多；当氢气添加量为3%时，缸内碳烟的生成量最低，当氢气添加量为6%时碳烟生成相对于3%时有所升高；碳烟的生成主要集中在365°CA和380°CA之间。主要原因如下：当氢气添加量为0%时，此时缸内的温度较低但是能够满足碳烟的生成条件，缸内有大量的碳烟生成；随着氢气添加量的增加，缸内温度升高，部分碳烟被氧化，缸内碳烟生成量有明显的下降；当氢气添加量达到6%时，缸内温度最高，但氧气分子的含量最低，已生成的碳烟所进行的氧化反应速度减慢，因此与3%氢气添加量相比，碳烟的含量会有所提升，但是与纯柴油相比仍是降低的。图8为碳烟在不同氢气添加量下的缸内分布图。从图中可以看出，碳烟的生成持续时间相对较短，在燃烧刚开始的阶段有大量的碳烟产生，对比图4可以看出，碳烟刚开始生成量最多的区域是温度略高的区域，随着反应的进一步加剧，缸内温度急速升高，碳烟颗粒物被氧化，生成量会加速减少。从生成总量上来看，氢气的添加对碳烟排放物的影响并不是特别明显。