氢气助燃柴油机的数值模拟研究



氢气助燃柴油机的数值模拟研究

模拟了在不同工况下氢气助燃柴油机燃烧及排放特征，用三维模拟软件KIVA4耦合CHEMKIN对氢气助燃柴油机进行一系列模拟。用Kelvin-Helmholtzt和Rayleigh-Taylor混合破碎模型精确模拟喷雾过程，考虑到柴油和氢气化学动力特性的不同，模拟过程要建立一套详细的反应机制。模拟过程需要相关的验证，图1为发动机模拟试验测试平台。

低转速部分负荷工况。氢气的加入对柴油机有很大影响，在1600r/min、10%负荷时指示热效率随着氢气的加入增加非常明显，缸压和热效率增加也很明显（图2）。这是因为在低转速时，有更多的预混合燃料和氢气被点燃，提高了放热率和压力升高率。另外，转速低时每循环时间相对较长，使燃烧更加充分。但在低转速小负荷时，由于上述原因会导致NOx排放增加，而这种不足可以采用EGR技术去克服。对于氢气助燃柴油机，其CO和碳烟含量低的主要是由于氢气不含有碳物质。

高转速大负荷工况。随着氢气的加入，发动机性能、燃烧和排放特征并无多大实质性改变。

通过试验模拟可以证明，在低转速部分负荷时，可以用3%的氢气引入量来优化发动机性能（图3），在高转速大负荷时引入氢气反而没有多大的益处。

图1　发动机测试平台

图2　不同氢气比例指示热效率

图3　不同氢气引入量对热效率的影响

网址：http://www.elsevier. com/locate/he

作者：W.M. Yang

编译：张自雷