掺氢对汽油预混燃烧特性的影响

2022-04-13徐一博暴秀超左子农孔令安

内燃机工程 2022年2期

徐一博，暴秀超，左子农，孔令安，邓浪，胡波

（西华大学汽车与交通学院，成都 610039）

0 概述

随着经济与社会的发展，能源紧缺问题与环境保护问题日渐凸显，替代燃料的研究逐渐受到越来越多的关注［1］。研究人员迫切需要找到能提升内燃机热效率及减少内燃机排放污染的替代燃料。氢气因其点火能量低、火焰传播速度快和高热值的特点一直被认为是具有巨大潜力的清洁能源［2］。但是氢气被用作单一燃料时常出现异常燃烧的问题，此外因为体积热值低及在生产运输中的危险性，氢气作为单一燃料应用在内燃机上还需克服许多困难［3］。将氢气作为辅助燃料能够在改善汽油燃烧性能的同时避免以上问题［4］。

近些年来，研究人员逐渐开始在汽油中加入氢气研究其对内燃机热效率的影响。文献［5］中通过内燃机产生的电力来驱动电解水装置获得氢气，将氢气引入发动机中燃烧，发现在汽油发动机内加入氢气可减少燃油消耗量。文献［6］中发现氢气的加入改善了发动机的燃烧过程，使得指示功率增加，指示热效率提高。此外氢气的加入会减少汽油机碳氢化合物（HC）、CO 排放，但会增加NOx排放［7］。文献［8］中发现可以通过改变氢气喷射方式降低NOx排放。文献［9］中发现通过改变喷氢时刻可以改善掺氢汽油机的燃烧性能。这些研究表明燃用汽油和氢气混合燃料对发动机性能有正面影响，但为了进一步优化发动机的燃烧和排放，还需对其燃烧特性进行研究。

氢气作为一种可清洁能源具有巨大的发展前景和良好的经济效益。一直以来都有氢气燃烧特性方面的研究。文献［10］中研究了H2—N2—空气火焰的层流燃烧速度随H2、N2物质的量的比（记为H2/N2比）的变化，发现H2/N2比越高则层流燃烧速度越快。文献［11］中通过定容燃烧系统研究发现随着掺氢比的提高，H2—CO—空气混合气层流燃烧速度呈非线性增加趋势。文献［12］中通过数值模拟方法对氢气非预混燃烧流场进行了精细地预测。除此之外文献［13］中还研究了H2的加入对CH4、CO2混合物燃烧的影响，结果表明随着H2浓度的提高，层流燃烧速度逐渐增加，而且在更高当量比处出现最大燃烧速度，层流燃烧速度在当量比为1.8 时达到最大。

在汽油中加入氢气是目前减少汽车排放问题同时提高经济效益的良好方案。因汽油成分复杂，研究人员常使用汽油的替代燃料（如异辛烷、基础燃料（primary reference fuel，PRF）、汽油表征燃料（toluene reference fuel，TRF）等）与氢气混合进行燃烧试验的研究［14-15］。文献［16］中研究不同的氢气添加量对异辛烷—氧气层流预混火焰特性和燃烧污染物的影响，结果表明：H2的添加可以抑制异辛烷火焰中间产物的生成。文献［17］中使用高速摄影机与定容燃烧试验系统对TRF 与氢气的预混燃料燃烧进行了试验研究，结果发现：随着氢气的增加，火焰传播速度也增加；在当量比小于1.0 时拉伸对火焰传播速度影响较大；添加氢气能有效提高TRF 的火焰速度。文献［18］中利用改进的反应机理和试验分析了氢气对TRF—空气火焰特性的影响，结果表明氢气的适度添加能提高汽油的层流燃烧速度。以往的研究与实践表明汽油发动机中加入氢气对发动机的改造成本很低，氢气作为添加燃料具有很大的潜力［19］。

以往对汽油—氢气燃烧特性的研究一直采用替代燃料，试验数据结果与汽油相比存在差异，因此本文中采用商用92 号汽油与氢气掺烧。通过高速纹影图像采集系统与定容燃烧试验系统进行汽油和氢气混合燃料的预混层流燃烧特性试验研究，通过改变当量比、初始压力、氢气占比对燃烧特性参数进行系统地分析，并总结其规律。采用商品汽油与氢气掺混更具真实性，对汽油氢气掺混燃料的理论研究为其实际应用提供了理论基础，为通过汽油掺混氢气达到减少碳排放的研究提供了理论依据。

1 试验与数据处理

1.1 试验设备

定容燃烧试验系统由定容燃烧弹弹体、进排气系统、点火系统、纹影摄像系统、控制与数据采集系统组成。

定容燃烧弹弹体为内径350 mm 的不锈钢球体，总容积约为22.4 L，最大工作压力为4 MPa。试验时根据分压法原理，首先将液体燃料经蒸发系统以蒸气状态充入，之后充入气态燃料与空气。试验初始温度为400 K，以保证燃料完全蒸发。通过控制与数据采集系统实现点火与高速纹影图像采集系统同步触发。试验装置示意图如图1所示，试验条件如表1所示。汽油氢气混合燃料空燃比存在误差，误差主要来源于空气中氧气的浓度差异与压力表精度读数差异，误差在2% 左右。

表1 试验条件

图1 试验装置图

点火线圈型号为Leonelecl—17A05；压力变送器型号为HC—802；高速摄像机型号为美国TRI 公司生产的Phantom V7.3；配气系统采用高精度负压检测压力表，其型号为DPA01M—P，精度为0.1 kPa；高压表采用智能数字压力表，其型号为Meokon—MD—S200。

1.2 数据处理

本试验通过纹影法和定容燃烧试验系统实现了火焰传播过程的可视化。通过使用MATLAB 处理原始火焰图像得到火焰半径等参数，图2为原始图像处理流程。对原始火焰图像进行差帧运算与线性差值得到火焰图片完整轮廓，利用图像取反并与原图灰度化相加得到完整的燃烧火焰。在火焰发展初期由于受到点火能量的影响，分析结果偏差较大，经研究证明当火焰半径大于6 mm 时，点火能量的影响可以忽略［20］。在火焰发展后期出现明显的自加速现象，这时火焰已经不处于层流燃烧阶段。因此，本次试验在层流燃烧特性参数计算时的火焰半径范围为6 mm～30 mm，且未出现火焰自加速时的燃烧阶段。

图2 图像处理流程图

当量比φ由式（1）定义。

式中，F为燃料的质量；A为空气的质量；F/A为实际燃空比；（F/A）st为理论完全燃烧的化学当量燃空比。

掺氢比ψ由式（2）定义。

式中，nH2为氢气物质的量分数；ngas为汽油物质的量分数。

拉伸火焰传播速度Sn可以通过式（3）计算。

式中，r为火焰半径；t为时间。

火焰拉伸速率α通过式（4）计算。

在火焰传播过程中，早期火焰锋面近似球形扩张，由经典马克斯坦长度理论，拉伸率与拉伸火焰传播速度呈现线性关系，如式（5）所示。

式中，Sl为无拉伸火焰传播速度；Lb为马克斯坦长度。

层流燃烧速度ul可由火焰前锋面的质量守恒计算得到，如式（6）所示。

式中，ρb为已燃区气体密度；ρu为未燃区气体密度。

密度比σ的定义见式（7）。

火焰不稳定性主要受流体动力学不稳定性、不等扩散不稳定性和浮力不稳定性影响［21］。浮力不稳定性通常在火焰速度较小且燃烧极限或燃烧总体积足够大时发生。有效刘易斯数Le反映了不等扩散影响，计算公式如式（8）所示。

式中，DT为热扩散系数；Dm为不足反应物的质量扩散系数。

热扩散系数计算公式见式（9）。

式中，λ为导热系数；cp为比定压热容。

混合有效刘易斯数Leeff计算基于体积加权法，计算公式见式（10）。

式中，xi为第i种体积分数；Lei为对应第i种的有效刘易斯数。

流体动力学不稳定性主要由火焰厚度和密度比表征。其中火焰厚度δ的计算公式见式（11）。

2 结果与讨论

2.1 层流燃烧速度

图3为不同掺氢比下层流燃烧速度随当量比的变化。在当量比相同的情况下，层流燃烧速度随掺氢比的提高逐渐增大。掺氢比为5%、25%、50%、75%、100%，当量比φ为1.0 时的层流燃烧速度较纯汽油层流燃烧速度分别提高了8%、52%、157%、299%、486%。这是因为氢气相比汽油具有更快的火焰传播速度。在相同掺氢比下，层流燃烧速度随当量比的增加先增大后减小。随着掺氢比的增大，层流燃烧速度峰值向高当量比区域移动。当量比在0.7～1.6 范围内的试验条件下掺氢比达到100% 时层流燃烧速度随着当量比的增大一直增加。氢气层流燃烧速度在当量比为1.8 时达到最大［13］，随着掺氢比的提高，氢气逐渐主导了混合燃料的燃烧。

图3 不同掺氢比下层流燃烧速度随当量比的变化

图4为掺氢比为50%时不同初始压力下层流燃烧速度随当量比的变化。随着压力的提高，层流燃烧速度降低，并且随着当量比增加，下降的趋势更加明显。当量比φ为0.7 时，初始压力0.10 MPa、0.15 MPa 下的层流燃烧速度较0.20 MPa 工况下的层流燃烧速度分别提高了28%和20%。当量比φ为1.4 时，初始压力0.10 MPa、0.15 MPa 下的层流燃烧速度较0.20 MPa工况下的层流燃烧速度分别提高了38%和25%。

图4 掺氢比为50%时不同初始压力下层流燃烧速度随当量比的变化

不同当量比和掺氢比下的火焰图像如图5～图7所示。选择当量比0.8、1.0 和1.2 的火焰图片分别代表较低当量比、化学计量比和较高当量比的火焰发展情况进行分析讨论。从图中可以看出，随着掺氢比的提高，火焰速度明显加快。相同掺氢比时随着当量比的提高火焰速度也明显加快。当量比φ为1.2 时的火焰半径明显大于当量比φ为0.8 和1.0时的火焰半径。

图5 当量比0.8 时不同时间和掺氢比下的火焰图像

图6 当量比1.0 时不同时间和掺氢比下的火焰图像

图7 当量比1.2 时不同时间和掺氢比下的火焰图像

2.2 马克斯坦长度

马克斯坦长度是研究火焰传播过程的重要参数，量化了火焰速度对拉伸速率的响应，反映了火焰稳定性［22］。当马克斯坦长度为正时火焰拉伸会使火焰传播速度降低，当马克斯坦长度为负时火焰拉伸对火焰传播速度有促进作用。图8为掺氢比为0%、5%、25% 时马克斯坦长度随当量比的变化。由图8可知，马克斯坦长度随当量比的增加而下降，随着掺氢比的提高，马克斯坦长度随当量比提高而减小的趋势逐渐变缓。在掺氢比大于等于50% 时，马克斯坦长度随当量比的提高逐渐增大。在较低浓度（φ≤0.9）时，氢气的添加降低了马克斯坦长度，使得火焰不稳定性增强；而在较高浓度（φ≥1.2）时，氢气的添加提高了马克斯坦长度，使得火焰稳定性增强。这些都表明随着氢气的加入，火焰的不稳定性逐步由汽油的变化趋势向氢气的变化趋势过渡。

图8 不同掺氢比下马克斯坦长度随当量比的变化

图9为掺氢比为50% 时不同初始压力对马克斯坦长度的影响。在掺氢比为50% 时，随着当量比的提高，马克斯坦长度增加，随着压力的增加，马克斯坦长度减小。当量比在0.7～1.6 范围内时，初始压力为0.1 MPa 时的马克斯坦长度最大，初始压力为0.2 MPa 时的马克斯坦长度最小。这表明随着初始压力的升高，马克斯坦长度减小，火焰不稳定性增强。

图9 掺氢比为50%时不同初始压力下马克斯坦长度随当量比的变化

2.3 火焰不稳定性分析

图10为在火焰半径为30 mm 时不同当量比不同掺氢比下的火焰图像。火焰半径30 mm 时球形火焰轮廓清晰，不同条件下火焰所处阶段不同，容易比较火焰不稳定性。同样选择当量比为0.8、1.0 和1.2 的火焰图片进行分析讨论。当量比为0.8 时随着掺氢比的提高，火焰裂纹明显增多，火焰表面呈现大小不均的胞，当掺氢比大于等于50% 时火焰表面出现明显的胞状化。当量比为1.0 时随着掺氢比的提高，火焰表面裂纹先增多，掺氢比大于等于50%时裂纹略减少。当量比为1.2 时随着掺氢比的提高，裂纹先逐渐增加，掺氢比为50% 时裂纹最多，随着掺氢比的继续增加，裂纹逐渐减少，火焰稳定性增强，且当量比为1.2 时裂纹较当量比为1.0 时更少。

图10 火焰半径30 mm时不同当量比和掺氢比下的火焰图像

图11为掺氢比50%、火焰半径30 mm 时不同压力和当量比下的火焰图像。当量比为0.8 时随着初始压力的增加，火焰图像裂纹增多，初始压力0.2 MPa 时出现明显的胞状化。当量比为1.0 时，随着初始压力的增加，火焰表面裂纹增多，但较当量比为0.8 时火焰表面更加光滑，初始压力0.2 MPa 时出现胞状化现象。当量比为1.2 时随着初始压力的增加，火焰表面裂纹同样增多，但相较其他两个当量比情况下裂纹最少，初始压力0.2 MPa 时火焰裂纹较多但未出现胞状化现象。综上可知，火焰不稳定性随着初始压力的增加而增强。

图11 掺氢比50%、火焰半径30 mm 时不同当量比和压力下的火焰图像

在本研究中，球形火焰在发展过程中受到不等扩散不稳定性、流体动力学不稳定性的影响。火焰前锋面的不等扩散不稳定性通常用有效刘易斯数来表征，而火焰前锋面的流体动力学不稳定性作为火焰的固有属性，主要由火焰厚度和密度比表征。

图12为不同掺氢比下混合气有效刘易斯数随当量比的变化。由图中可以发现在当量比为1.0 附近时有效刘易斯数发生了跳跃式的变化，这是由刘易斯数的定义造成的，即当量比混合气质扩散系数无法求得，只能通过燃料对氮气的质扩散系数与氧气对氮气的质扩散系数求平均获取。对于相对分子质量较小的燃料，有效刘易斯数随当量比的增加而增加；对于相对分子质量较大的混合物，有效刘易斯数随当量比的增加表现出下降趋势［23］。氢气为小分子燃料，汽油为大分子燃料，氢气的加入逐渐改变混合燃料的燃烧性质，掺氢比为75% 和100% 时有效刘易斯数随着当量比的增加而增加。图13为掺氢比ψ为50% 时不同压力下有效刘易斯数随当量比的变化。由图13可以看出，随着压力的增大，有效刘易斯数基本不变，压力的增加对火焰不等扩散不稳定性没有影响。

图12 不同掺氢比下有效刘易斯数随当量比的变化

图13 掺氢比为50%时不同初始压力下有效刘易斯数随当量比的变化

火焰厚度随掺氢比与当量比的变化如图14所示。火焰厚度随当量比增加先减少后增加，在当量比在1.1～1.2 范围内时达到最低；相同当量比条件下随着掺氢比的提高，火焰厚度减少，且随着掺氢比的提高，当量比对火焰厚度的影响逐渐减小。图15为掺氢比ψ为50% 时不同压力下火焰厚度的变化，随着压力的增加，火焰厚度减小，但在较高浓度（φ≥1.1）时火焰厚度变化不明显。总体来说随着压力的增加，火焰厚度减小。

图14 不同掺氢比下火焰厚度随当量比的变化

图15 掺量比为50%时不同初始压力下火焰厚度随当量比的变化

图16为不同掺氢比下密度比随当量比的变化。密度比随着当量比的增加先增加后减小，在当量比在1.1～1.2 范围内时达到最大。在相同当量比条件下随着掺氢比的提高，密度比减小，流体力学不稳定性被抑制［24］。图17为掺氢比为50%时不同压力下密度比的变化。由图17可以明显看出随着压力的增加，密度比基本不变。

图16 不同掺氢比下密度比随当量比的变化

图17 掺氢比为50%时不同初始压力下密度比随当量比的变化

对火焰纹影图片及掺氢比、当量比对火焰不稳定性的影响进行分析。氢气的加入改变了混合燃料的火焰不稳定性变化趋势。在相同压力较低当量比（φ＜1.1）时有效刘易斯数随着掺氢比的增加而减小，不等扩散不稳定性增强；在较高当量比（φ≥1.1）时随掺氢比的增加而增加，不等扩散不稳定性被抑制。火焰厚度减少，表明流体力学不稳定性增强。密度比的减小则表明流体力学不稳定性被抑制。随着掺氢比的增加，火焰厚度和密度比同时减少，不能反映流体力学不稳定性。在较低浓度（φ＜1.1）时随着掺氢比的提高，火焰不稳定性整体增强，在较高浓度（φ≥1.1）时随着掺氢比的提高，火焰不稳定性整体被抑制，不等扩散不稳定性占据主导因素。在相同压力下，掺氢比较低（ψ＜75%）时有效刘易斯数随当量比的增加而减小，不等扩散不稳定性增强；掺氢比较高（ψ≥75%）时有效刘易斯数随当量比的增加而增加，不等扩散不稳定性被抑制。在相同压力下，随着当量比的增加，流体力学不稳定性先增强后减弱，当量比为1.1 时流体力学不稳定性最强，因为此时火焰厚度最小而密度比最大。总体来说，当掺氢较低（ψ＜50%）时，随着当量比的增加火焰不稳定性整体增强；当掺氢比较高（ψ≥50%）时，随着当量比的增加火焰不稳定性整体被抑制，不等扩散不稳定性作为主要影响因素。在相同当量比下，随着压力的增加，有效刘易斯数不变，不等扩散不稳定性不受影响，火焰厚度减小密度比基本不变，流体力学不稳定性增强。在相同当量比下，随着压力的增加，火焰不稳定性增强。