基于氢气/柴油RCCI燃烧的热效率与损失联合优化

2023-02-04白金鹏，常亚超，李耀鹏，贾明

大连理工大学学报 2023年1期

白金鹏，常亚超，李耀鹏，贾明

( 大连理工大学能源与动力学院, 辽宁大连 116024 )

0 引言

随着化石燃料的消耗以及越来越严格的排放法规，特别是二氧化碳(CO2)排放标准[1]的日益严苛，氢气作为一种清洁、可再生、可循环的无碳燃料[2]受到了广泛的关注．除CO2外，氢气燃烧还可以降低其他含碳排放物，如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和碳烟(soot)的生成[3-5]．然而，氢气燃料由于较高的点火温度及辛烷值，在压缩点火(CI)发动机中很难被压燃，必须引入高反应活性燃料将其引燃．此外，氢气更高的火焰传播速度可能导致更高的氮氧化物(NOx)排放[3-4]以及超出发动机承受能力的压力升高率(PRR)[6]．反应活性控制压燃(RCCI)燃烧[7]通过在进气道和缸内喷射两种不同反应活性的燃料，引入了活性分层，从而可以有效控制燃烧相位和燃烧过程[8]．因此，可以于RCCI中将氢气作为一种低活性燃料在进气道内喷射，缸内喷射高活性燃料柴油来引燃氢气，本文基于这种氢气/柴油RCCI燃烧模式进行研究．

在热力学第一定律方面，已经进行了一些实验探究了氢气引入对热效率的影响．但由于实验条件的不同，得出的结论并不一致．Deb等[4]和Köse等[3]发现，氢气的引入有助于热效率的提高，而Sandalci等[9]和Karagöz等[10]则得到相反的结论．Hu等[11]在火花点火(SI)天然气发动机中引入氢气，并总结出废气再循环率(EGR)较低时随着氢气比例增加，有效热效率下降，而EGR较高时，热效率随着氢气比例增加而提高．

1 计算方法

1.1 计算流体力学(CFD)模型

本研究针对氢气/柴油RCCI燃烧模拟采用集成多个物理和化学子模型的KIVA-3V[15]．其中采用了可以通过捕捉圆柱体中复杂、瞬态、各向异性的湍流来实现高精度的广义重归化(GRNG)k-ε湍流模型[16]．为了更好地重现液滴破碎和碰撞过程，分别采用了Kelvin Helmholtz-Rayleigh Taylor(KH-RT)混合模型[17]和强化液滴碰撞模型[18]．除此之外，Zhang等[19]的喷雾撞壁模型和Cao等[20]的壁面传热模型也应用在模拟中．

此外，模拟中将CHEMKIN求解器[21]与KIVA-3V 程序进行耦合，用来模拟点火和燃烧特性．对于氢气和柴油的化学特性采用了由49种物质和163种反应组成的骨架氧化机理[22]．分别利用扩展的Zeldovich氮氧化物机理和改进的碳烟半经验模型[23]来预测氮氧化物与碳烟排放．

1.2 模型验证

用来验证模型的实验数据来自一台仅单缸喷油做功的四缸轻载柴油机，其具体参数列于表1．图1绘制了模拟中采用的1/7气缸网格，对应于七孔喷油器的一个喷孔．在模拟中仅考虑从进气门关闭(IVC)到排气门开启(EVO)的过程．实验的具体运行参数见表2，可以发现不同实验工况为仅改变预混能量比．

表1 发动机参数

图1 上止点中心的计算网格模型

如图2所示，不同预混能量比下模拟计算的缸内压力和放热率曲线与实验测量值吻合良好，HC和CO排放量的变化规律也与实验一致．基于模拟与实验的缸内压力、放热率曲线表明，实验测量结果与模拟结果之间着火时刻以及通过曲轴转角-缸边压力积分得到的做功大小相差小于5%，说明模拟可以较好地重现着火和燃烧过程，模型可靠．值得一提的是，可以在图中观察到两个明显的放热率峰值，其中第一个峰值是由于上止点附近第二次喷射的柴油被压燃，并点燃附近氢气产生，此时第一次喷射的柴油已经扩散到喷嘴远端；火焰进一步传播引燃这部分柴油及剩余氢气产生第二次放热峰值．

表2 验证算例实验运行工况参数

1.3 优化参数设置

表3 优化参数与限制条件

2 结果与讨论

2.1 优化结果概述

图3展示了最后一代算例目标参数(等效指示燃油消耗率beisfc和损失Exdes)的分布情况．可以发现beisfc和Exdes之间存在着明显的此消彼长关系，这意味着很难在损失最小化的同时实现热效率的最大化．根据beisfc的算例分成低beisfc高Exdes、中beisfc中Exdes以及高beisfc低Exdes，其中分别选择算例A和B、算例C、算例D作为各自典型算例，相应输入输出参数见表4．可以发现它们有着相似的Tivc以及较高的R，算例A和B采用较高的pivc和E，算例C采用高pivc搭配低E，而算例D采用低pivc搭配高E．算例A和B采取相似的喷射策略，均为上止点前60 ℃A和30 ℃A两次喷射并采用相对低的F．算例C和D喷射策略同样相近，上止点前107 ℃A和上止点附近两次喷射并采用相对高的F．根据Xu等[27]的合成气/柴油优化结果，采用主喷时刻较晚的两次直喷策略既能提高低负荷时的燃烧效率，又能降低中负荷时的声强．且预混能量比为70%左右时性能较好，与本文优化结果有很强的相似性．

图3 最后一代算例目标参数分布

表4 典型算例输入输出参数

从图中可以发现当最高缸内平均温度低于1 600 K时，beisfc与Exdes的变化趋势是一致的：随着燃烧温度的升高，Exdes降低，同时未完全燃烧得到很大改善，带来更高的热效率与更低的beisfc．当温度超过1 600 K时，Exdes仍然随着温度的升高而降低．但是过高的温度导致了较高的传热损失，从而导致beisfc的增加．因此，燃烧温度是影响Exdes的主导因素，但对热效率影响更加复杂，beisfc随燃烧温度的非单调变化带来了beisfc与Exdes之间此消彼长的关系．

2.2 初始参数对损失比例影响规律及原因分析

2.2.1 预混能量比影响规律及原因分析在图3 标注出的算例B的基础上，保证其他参数不变的前提下，调整预混能量比在60%～90%变化，得到beisfc与Exdes的变化趋势如图5所示，对比限制条件结果发现较高的预混能量比主要是为了满足声强的限制要求，在满足限制条件的前提下当预混能量比在75%～82%变化时可以在保证beisfc不变的同时实现Exdes的降低，有效提高了可用能量占比，但是82%之后继续增加预混能量比会使得未完全燃烧情况恶化，使得beisfc急剧升高．