掺氢天然气充量均质压燃发动机燃烧和排放特性的数值模拟研究

李延吉，许多，宋瑞雯，李明泽

（沈阳航空航天大学 清洁能源利用辽宁省重点实验室，沈阳 110136）

0 概述

为了满足日益严格的排放法规，清洁替代能源和高效低排放燃烧技术一直都是国内外学者研究的重点。新型燃烧模式中的“均质压燃、低温燃烧”不同于传统内燃机的燃烧模式，它结合了柴油机和汽油机的优势。其基本思想是在现代内燃机控制技术的基础上，通过控制内燃机燃烧室内的温度、压力和燃料、活化基及再循环废气的浓度，对燃烧边界条件与燃料燃烧化学反应进行协同控制，实现可控且高效的清洁燃烧，最大限度地提高热效率，降低有害污染物的生成［1］。

均质充量压燃（homogeneous charge compression ignition，HCCI）的燃烧模式所用燃料不局限于汽油、柴油［2］。天然气是一种以甲烷为主要组分的安全清洁高效燃料，其辛烷值和热值相对较高，在高压缩比下不会导致爆燃，且着火界限比较宽，在稀燃条件下也能有较大的运转范围，近几年天然气HCCI发动机也得到了广泛的关注［3］。氢气是一种清洁可再生能源，可以从其他的碳氢燃料或水中获得。但使用纯氢作为发动机的主要燃料成本过高，因此常见的氢气利用方式为使用少量氢气作为常规化石燃料的添加剂［4］。天然气掺氢后可以降低燃烧所需能量，增大燃烧效率，减少燃烧后含碳排放［5］。在HCCI发动机中燃料燃烧化学反应动力学过程对燃烧过程控制起着主导作用。相对于传统的内燃机燃烧，燃料的理化特性对HCCI燃烧过程和运行工况范围有更大的影响［6-9］，而混合燃料策略是控制这两个方面参数的最佳解决方案［10-11］。

其中掺氢天然气HCCI发动机受到了学者们的广泛研究。文献［12-13］中通过建立单区模型对掺氢天然气HCCI发动机进行数值模拟研究，结果表明单区模型能够准确预测HCCI发动机中的点火正时；以掺氢天然气为燃料能提高热效率，降低CO和HC的排放；掺氢可以延长天然气的稀燃极限；混合燃料的初始特性能控制发动机的着火正时和燃烧效率。文献［14］中研究了少量掺氢对天然气HCCI发动机的燃烧影响，结果表明加入少量氢气对缸内压力及温度峰值的影响较小；少量氢气使燃烧过程氢气浓度上升，但对CO生成浓度影响较小。文献［15］中研究了不同工况参数对掺氢天然气HCCI发动机的NOx生成量影响，结果表明增大转速、进气压力及温度使NOx的生成量增多，而增加过量空气系数则会降低NOx的排放。

然而目前对于掺入氢气对天然气HCCI发动机的燃烧过程中自由基及基元反应影响的研究仍然较少。在此背景下，本文中利用CHEMKIN化学动力学软件对掺氢比0%～40%的天然气HCCI发动机燃烧过程进行模拟，分析发动机燃烧特性及燃烧过程中主要基元反应的反应速率，研究氢气的加入对天然气HCCI发动机燃烧过程的影响作用及对着火时刻和NO生成的影响机制，为进一步了解HCCI发动机的燃烧特性和混合燃料的燃烧过程奠定理论基础。

1 模拟方案

对掺氢天然气HCCI发动机的零维单区燃烧模型进行了假设：（1）假设缸内的工质处于均匀分布的状态，即零维；（2）假设工质热力学参数仅与气体进入缸内的物理性质有关；（3）假设缸内混合气工质总质量保持不变，不存在漏气损失［16］；（4）假设气体在进入气缸前已经满足HCCI燃烧过程中对气体的均匀混合度和温度等相关燃烧初始数据的要求［17］。

采用CHEMKIN中的IC ENGINE模块对掺氢天然气HCCI发动机的燃烧过程进行数值模拟。实际天然气中的极大部分为甲烷，因此本模型中使用甲烷来代替天然气的成分进行计算模拟分析。模拟过程中选择GRI-Mech 3.0作为反应机理，其中包括53种物质、325个基元反应式。模拟工况的初始参数：当量比为0.3，转速为1 200 r/min，进气温度为473 K，初始压力为0.1 MPa。模拟所使用的发动机基本参数如表1所示。本文中曲轴转角为负表示上止点前，曲轴转角为正表示上止点后。

表1 发动机基本参数

通过计算可以得到掺氢体积比为0%、10%、20%、30%和40%时掺氢天然气混合燃料进气时各个组分的物质的量分数，如表2所示。随着掺氢体积比的增加，混合燃料中的甲烷、氧气和氮气的物质的量分数都降低。

表2 混合燃料各组分的物质的量分数

2 模型的验证

为了验证所建立的天然气HCCI发动机的零维单区燃烧模型，在当量比为0.3、进气温度为442 K、初始压力为0.1 MPa、发动机转速为1 000 r/min的工况下对掺氢体积比为0%时的天然气HCCI发动机进行数值模拟，发动机缸内压力和缸内温度的模拟值和文献［18］中的试验结果对比如图1和图2所示。

图1 缸内压力的模拟值和试验值对比图

图2 缸内温度的模拟值和试验值对比图

从图1和图2可以看出，数值模拟计算得到的缸内压力和缸内温度曲线与试验得出的曲线的趋势大致相同，但是模拟得到的压力和温度的峰值都略比试验值高。这一方面是因为模拟中所考虑到的热损失值比试验中的要小，另一方面是因为零维模型中工质都是均匀分布且相当于理想等容燃烧，而试验中会存在局部温度和压力过高的现象。且试验中着火时刻比模拟略有提前也是因为缸内工质的不均匀性加速了部分区域的自燃［5］。总体而言，所建立的零维单区模型能准确模拟天然气HCCI发动机燃烧。

3 模拟结果分析

3.1 掺氢对天然气HCCI发动机燃烧特性影响

3.1.1 缸内压力及温度

图3、图4和图5为模拟工况不同掺氢比下燃烧过程中的缸内压力与温度变化曲线图及自燃着火时刻对比图。

图3 不同掺氢比下的缸内压力

图4 不同掺氢比下的缸内温度

图5 不同掺氢比下的自燃着火时刻

增加掺氢比会导致缸内温度和压力的上升时刻不断提前，即发动机的着火时刻提前，正如图3所示。这是因为氢气具有点火能量低的燃烧特性，使得天然气掺氢后的着火条件得到明显改善，更容易进行反应。

从图3中也可以看出随着掺氢比的增加，缸内压力峰值变化不明显，而缸内温度的峰值会随着掺氢比的增加略有下降后升高。掺入氢气后燃料的燃烧速率加快但同时混合燃料的体积热值也降低，而在掺氢比为10%时体积热值降低幅度较大，从而导致此时缸内温度的峰值有略微下降的趋势。掺入氢气也会导致氧浓度降低，较低的含氧量会降低缸内温度，但随着掺氢比增加，燃烧速率加快对温度升高的促进作用比低含氧量和低体积热值对温度升高的抑制作用要略大，因而此时缸内温度有所上升，但上升的趋势较不明显。且由于掺氢后着火时刻的提前，导致了燃烧高温持续时间的延长。但着火时刻的过分提前会增加活塞的压缩功，也会出现回火的现象，不利于提高发动机的燃烧动力性能。总的来说，掺混氢气的比例对缸内压力和温度的影响较小。

3.1.2 初始燃料（CH4、H2）

图6和图7分别为在模拟工况掺氢比下燃烧过程中的CH4和H2物质的量分数变化曲线图。甲烷先被缓慢消耗，随后被迅速消耗完全，并且随着掺氢比的增加，其开始反应时刻也提前。从图7可看出，在不掺氢时，由于甲烷在高温反应中生成少量氢气，所以有氢气迅速产生和消耗的过程［4］，然而这并不意味着在掺入氢气时甲烷燃烧不会产生氢气，可能存在氢气的生成量与消耗量守恒的情况，或生成的氢气对掺氢甲烷的燃烧没有明显影响［19］。

图6 不同掺氢比下的CH4物质的量分数

结合图6和图7能看出甲烷和氢气是在同一时刻被迅速消耗，并且掺入氢气后促进了甲烷在燃烧过程中的消耗反应；还可以看出随着掺氢比不断增加，着火时刻的提前现象减弱。

图7 不同掺氢比下的H2物质的量分数

3.1.3 放热率

放热率的定义为1 kmol混合气在单位时间或单位曲轴转角的燃烧放热量。图8是在模拟工况下不同掺氢比下燃烧过程中的放热率变化曲线图。与纯甲烷燃烧放热率相比，掺入体积比为10%的氢气后，发动机燃烧过程的放热率峰值略有降低，而加大掺氢比时放热率峰值有所上升，能看出放热率随掺氢比增加的变化趋势与缸内温度相同，且放热率受掺氢比影响不大。

图8 不同掺氢比下的放热率

3.1.4 CO及CO2排放

图9和图10分别为在模拟工况下不同掺氢比下燃烧过程中的CO和CO2物质的量分数变化曲线图。

图9 不同掺氢比下CO的物质的量分数

由图9可知，在燃烧初始阶段，CO的浓度迅速上升，又在短时间内迅速下降，最后消耗完毕。这是由于在掺氢天然气HCCI发动机着火燃烧的瞬间CO就作为中间产物开始产生并随后达到峰值。随着燃烧时间的增加，CO开始迅速被氧化成CO2，即CO浓度在短时间内下降，而相应的CO2的浓度也在短时间内上升，如图10所示。在本次模拟中，CO几乎完全反应生成CO2，其主要原因是模拟工况当量比为0.3，燃烧室内有充足的空气进行反应，且模拟所采用零维单区模型，缸内工质分布及反应均匀，混合燃料可以完全燃烧。

图10 不同掺氢比下CO2的物质的量分数

由图9和图10可以看出，CO和CO2的生成及到达峰值的时刻都随着掺氢比的增加而有所提前，且峰值均下降。这与文献［11］中的结论相同：在燃料中掺入氢气后，氢的混合作用和稀释作用均会使CO和CO2的浓度降低及其最大值向较小的曲轴转角移动。掺入氢气后，天然气HCCI发动机燃烧后CO和CO2的浓度有所减少，其中掺入氢气比例对CO2的排放量影响较大。这是因为氢气是一种不含碳的清洁能源，其与天然气掺混降低了混合燃料的含碳量，从而减少了CO和CO2的排放量。

3.1.5 NO排放

氮氧化物（NOx）中最主要的大气污染物为NO和NO2。在本次模拟中，尾气排放中的氮氧化物主要为NO。在模拟工况下不同掺氢比下NO物质的量分数变化曲线图如图11所示。

图11 不同掺氢比下NO的物质的量分数

从图11可看出，在燃烧开始时NO的浓度开始迅速上升到达峰值，且随着掺氢比的增加，NO的浓度峰值也随之升高。NO的生成主要受温度、含氧量、高温持续时间等因素的影响。由于氢气的火焰传播速度比甲烷快且其燃烧速度也相对较快，掺入氢气后加快了混合燃料的燃烧速率，同时缸内温度升高［20］，而高温对NO的生成具有促进作用［21］。且随着掺氢比的增加，高温持续时间延长，生成NO的反应物在高温区停留的时间变长，促进了NO的生成。另外，掺入氢气使含氧量降低，低含氧量则会抑制NO的生成。可以发现，随着掺氢比的增加，高温和较长的高温持续时间对NO生成的促进作用相对较大，从而导致了NO浓度的增加。

3.2 化学反应动力学

由于HCCI发动机着火时刻由缸内混合气化学动力反应率决定，最佳着火时间无法通过点火或者喷油控制，对HCCI发动机着火时刻控制的难度较大［22］，且减少大气污染和保护环境迫在眉睫。因此本节将继续采用相同模拟工况，对掺氢体积比为0%～40%的天然气HCCI发动机的燃烧化学反应过程进行模拟，通过化学反应动力学分析研究不同掺氢体积比对发动机的着火时刻及NO生成机理的影响。

3.2.1 着火时刻

为了进一步分析不同掺氢比对发动机着火时刻的影响，用相同模拟工况进行模拟并分析模拟结果，利用化学反应速率得出消耗和生成氢气的主要基元反应，然后对相关基元反应的反应速率随掺氢比变化的变化趋势进行分析，从而得出掺氢对天然气HCCI发动机燃烧过程的影响，继而研究得出掺氢对发动机着火时刻的影响［23］。

表3为H2参与的主要基元反应的具体参数。通过数值模拟可以得到氢气在发动机缸内燃烧过程中参与的主要基元反应及其各基元反应的反应速率。图12为掺氢比为0%时燃烧过程中H2参与的主要基元反应的反应速率随着曲轴转角变化的曲线图。图12中的反应速率为正表明该基元反应生成H2，反应速率为负表明该基元反应消耗H2。

图12 掺氢比为0%时H2参与的主要基元反应的反应速率

表3 反应过程中H2参与的主要基元反应

通过研究发现掺入氢气后不会改变甲烷燃烧反应路径，因此可以得出模拟工况不同掺氢比下发动机缸内燃烧过程中氢气的总反应速率随曲轴转角变化的曲线图如图13所示。图13中反应速率为正表明此时反应中的H2主要以生成为主，反应速率为负则表明反应中的H2主要以消耗为主。

由图13可知，在本次模拟中掺入氢气后H2的总生成反应速率与消耗速率相比较低，且随着掺氢比的增加变化并不明显，因而在此不对生成H2的基元反应作过多分析。

图13 不同掺氢比下H2的总反应速率

由图12能看出消耗H2主要基元反应的反应速率相对较高。结合图13也能看出在未掺氢时H2在反应中先主要进行生成反应，之后主要以消耗反应为主。在掺入氢气后H2的总反应速率没有出现明显正数部分，但不能说明在其他掺氢比的燃烧过程中没有生成氢气的情况。由图12和图13还可以看出掺氢比从0%增大至10%时氢气的总消耗速率并没有明显变化，但是随着掺氢比的不断增加，氢气的总消耗速率也在不断增大。

图14为不同掺氢比下消耗氢气的基元反应R3和R84的反应速率的变化。由图14可以看出，两个基元反应的反应速率都随掺氢比的增加而升高，其中基元反应R84的反应速率相对较高，且它随掺氢比变化的变化趋势较明显，因此可以看出氢气主要是通过消耗反应为发动机缸内体系提供了大量的H自由基。

图14 不同掺氢比下基元反应R3和R84的反应速率

表4为掺氢后H参与的主要基元反应的具体参数。通过模拟得出掺氢比分别为0%和10%时燃烧过程中H参与的主要基元反应的反应速率随着曲轴转角变化的曲线图及不同掺氢比下H的总反应速率随曲轴转角变化的曲线图，如图15～图17所示。

图17 不同掺氢比下H的总反应速率

表4 反应过程中H参与的主要基元反应

图15 掺氢比为0%时H参与的主要基元反应的反应速率

结合图15～图17能看出在反应开始时生成H的基元反应的反应速率较大，随后H的消耗反应的反应速率增加，此时H主要以消耗为主。随着掺氢比的增加，生成和消耗H的反应的总反应速率的变化速率一致，都呈现出先下降后上升的趋势。并且由图15和图16可以看出掺入氢气后，H参与的主要基元反应发生变化。

图16 掺氢比为10%时H参与的主要基元反应的反应速率

通过模拟得到不同掺氢比下表4中的H参与的主要基元反应的反应速率峰值的变化曲线图，如图18所示。由图18（a）能看出，改变掺氢比对基元反应R3、R57、R167、R10和R166的反应速率峰值影响较小，也能看出在生成H的主要基元反应中R290的反应速率较低，且随着掺氢比的增加而不断降低到接近0 mol/（cm3·s）。随着掺氢比的增加，基元反应R99和R84的化学反应速率峰值分别呈现出明显的下降和上升的趋势，说明在掺入氢气后反应过程中生成的OH更倾向于和H2生成H。由图18（b）可以看出随着掺氢比的增加，基元反应R35、R36和R38的反应速率峰值都呈现先略有下降后上升的趋势，其中R38的反应速率较高且其变化趋势也较明显。R35和R36为生成HO2的基元反应，在甲烷燃烧中高温时较为重要，而R38为链分支反应，为体系提供了自由基。在相同的当量比下，增加掺入的氢气含量则会导致缸内的氧气含量降低，因此推测与氧气相关的基元反应的反应速率也会随着掺氢比的增加而不断降低。而从图18（b）所示的模拟结果中可以看出，虽然掺氢比从0%增加至10%时这3个与氧气相关的基元反应的反应速率有所降低，但是当掺氢比继续增加时，反应速率却有所增加，这表明掺入氢气后确实增强了链分支反应，提前了热量释放的时间从而促进了甲烷的自燃，使着火时刻提前。

图18 不同掺氢比下H参与的主要基元反应的反应速率峰值

3.2.2 NO生成

表5为NO参与的主要基元反应的具体参数。表5中，R178和R179为热力型NO生成机理，R182和R199为N2O生成NO的机理［24］，R208则是经由NNH生成NO的机理［25］。

表5 反应过程中NO参与的主要基元反应

通过数值模拟可以得到掺氢比为0%时NO在发动机缸内燃烧过程中参与的主要基元反应的反应速率随着曲轴转角变化的曲线图如图19所示。通过进一步的研究发现当掺氢比增加至20%时，NO参与的主要基元反应的种类有所变化，此时基元反应R212的反应速率降低且可以忽略其对NO生成的影响，同时基元反应R186的反应速率增加，对NO的消耗作用渐渐变得重要。图20则是掺氢比为20%时燃烧过程中NO参与的主要基元反应的反应速率随着曲轴转角变化的曲线图。

图19 掺氢比为0%时NO参与的主要基元反应的反应速率

图20 掺氢比为20%时NO参与的主要基元反应的反应速率

图21为不同掺氢比下NO的总反应速率随掺氢比变化的曲线图。由图21可以看出，NO的总反应速率为正数，说明在反应过程中NO主要以生成为主。由图21也能看出在燃烧开始时，NO的总反应速率迅速开始上升到达峰值，此时反应速率峰值随掺氢比的增加而降低。随着燃烧的进行，NO的总生成速率迅速降低，而在后期又有一个缓慢上升的趋势，在到达第二个峰值后又缓慢降低，第二个反应速率峰值随着掺氢比的增加先略有下降后上升。这是由于本次模拟的当量比为0.3，在燃烧后期燃料被基本消耗完毕时，缸内仍有剩余的O继续参与反应生成NO，因此在后期NO的总生成速率又呈现上升趋势。

图21 不同掺氢比下NO的总反应速率

在不同掺氢比下模拟得出的NO参与的主要基元反应的反应速率峰值随掺氢比变化的曲线图如图22所示。由图19和图20能看出基元反应R178、R179和R182的反应速率有两个峰值，为了便于区分将第1个和第2个峰值分别标为A和B。

图22 不同掺氢比下NO参与的主要基元反应的反应速率峰值

从图22（a）可以看到基元反应R188、R189、R199、R208、R212和R216的反应速率峰值虽然随着掺氢比的降低而略有降低，但整体上变化幅度不明显，且它们的速率峰值都小于0.4×10-5mol/（cm3·s），对NO的生成贡献较小，因而在此不对这些基元反应展开进一步分析。由图22能看出基元反应R178、R179和R182的反应速率的第一个峰值随着掺氢比的增加而降低，此时R182的反应速率峰值较高，说明在燃烧开始时生成的NO主要来自于由N2O生成NO的机理，且随着掺氢比增加进气组分中的O2和N2的物质的量分数在减少，而这3个基元反应中都含有氮原子和氧原子等反应物，因而此时反应速率随着掺氢比的增加而下降。

由图22还能看出基元反应R178、R179和R182的反应速率的第2个峰值随着掺氢比的增加而升高，此时R178和R179的反应速率峰值较高，说明在燃烧后期时生成的NO主要来自于热力型NO机理，因为氧气浓度和缸内温度都会影响热力型NO的生成。而由图4能看出随着掺氢比的增加缸内温度也不断上升，因而此时热力型NO的生成速率不断上升且占主要地位。从图22（b）可以看出基元反应R187的反应速率峰值随着掺氢比的增加而下降，而R186的反应速率的变化趋势却相反。结合图20能看出NO的总反应速率主要以生成为主，进而可以说明消耗NO的基元反应的反应速率的变化对NO的浓度影响较小。因此可以说明掺入氢气后缸内温度不断上升，因此导致了NO的浓度随着掺氢比增加而不断上升。

4 结论

（1）掺入氢气后，缸内压力峰值变化不明显，而缸内温度峰值和放热率随着掺氢比的增加先略有下降后升高。着火时刻随着掺氢比的增加而不断提前但提前程度减弱。

（2）初始燃料CH4和H2的开始消耗时刻随着掺氢比的增加而提前，且消耗速率也随之加快，掺入氢气后燃烧过程中CH4反应生成H2的现象不明显。

（3）CO和CO2的生成时刻随着掺氢比的增加而不断提前，且浓度随之降低，CO几乎完全氧化生成CO2，因此尾气排放中的CO含量较低；NO浓度随着掺氢比的增加而增加。

（4）掺入氢气后，反应过程中的氢气主要以消耗为主，氢气参与的主要消耗反应（链分支反应R3和链传递反应R84）的反应速率加快，H自由基的生成速率加快，同时H参与的主要消耗反应R35、R36和链分支反应R38加快，加快了HO2和OH自由基的生成，从而使着火时刻提前。

（5）NO在燃烧过程中主要以生成为主，其主要由基元反应R178、R179和R182反应生成。在燃烧开始时R182的反应速率较大，而燃烧后期R178和R179的反应速率变大。随着掺氢比的增加，3个基元反应的反应速率的第1个峰值不断降低，而反应速率的第2个峰值不断上升。此时NO主要的消耗基元反应为R186和R187，其中R186的反应速率随掺氢比的增大而降低，而R187的反应速率随掺氢比的增大而上升。