预混合氢气对柴油机燃烧和排放性能的影响

姚嘉琪, 潘剑锋, 肖曼, 陈林林

(江苏大学能源与动力工程学院， 江苏 镇江 212013)



预混合氢气对柴油机燃烧和排放性能的影响

姚嘉琪, 潘剑锋, 肖曼, 陈林林

(江苏大学能源与动力工程学院， 江苏 镇江 212013)

针对预混合氢气的柴油机，在AVL Fire软件上建立了计算模型，并与试验结果进行对比，验证模型的准确性。在此基础上改变了喷射策略，对发动机缸内工作过程及相应的燃烧和排放性能进行数值模拟和分析。研究结果表明：随着预混合氢气质量分数的增加，缸内压力和温度升高，NOx排放恶化，Soot排放改善；随着预喷射油量和预喷间隔角的增加，NOx质量分数升高，Soot质量分数降低；随着后喷射喷油量的增加，缸内压力和放热率稍微减小，NOx和Soot质量分数降低；随着后喷间隔角的增加，缸内压力、放热率、NOx和Soot排放均未发生明显变化。

柴油机； 预混合; 氢气; 多次喷射； 燃烧； 排放

柴油机广泛应用于工业与交通的各个领域，因此柴油机的排放问题倍受关注[1]。柴油机预混合氢气是在柴油机的进气道中加入均质预混的氢气，可以实现缸内燃烧的分层分布和部分预混合的燃烧模式，能够实现中小负荷工况下的NOx和Soot生成量同步减少[2]。因此，把氢气作为发动机燃料的研究日益受到重视[3]。另一方面，随着柴油机高压共轨技术的发展，多次喷射技术也逐渐成为优化燃烧过程和改善排放的重要手段，国内外许多专家学者对此进行了相关研究[4-6]。本研究采用AVL-Fire软件对柴油机预混合氢气燃烧模式进行模拟计算，分析不同喷射策略下预混合氢气对柴油机燃烧性能和排放性能的影响。

1 模型的建立及验证

本研究基于AVL-Fire软件对文献[7]中的柴油机燃烧试验进行模拟计算建模及验证，发动机的基本技术参数见表1。对燃烧室进行动态网格划分，网格数量分别为105 200，76 300和564 700。在验证网格无关性后，选取76 300的网格，在上止点位置的网格划分见图1。

模拟计算中湍流模型选用k-zeta-f模型，喷雾模型选用WAVE模型。燃烧模型选用三区扩展拟序火焰模型(ECFM-3Z)，该模型是基于火焰面密度输运方程增加了预混模型，模拟空气与燃料间的亚格子湍流混合。温度型NOx生成模型选用Zeldovich模型，Soot生成模型选用Kennedy-Hiroyasu- Magnussen模型[8]。

表1 发动机主要参数

图1 网格划分

采用所建立的模型进行模拟计算，与参考文献[7]中的试验数据进行了对比，其结果见图2。可以看出，模拟计算得到的缸内压力和缸内温度结果与试验所测得的结果基本吻合。从缸内温度曲线可以看出，在温度为1 060 K时，出现一个拐点，此后温度急剧增加，进入急燃期，该拐点即为着火时刻。该温度值与文献中着火时刻的温度1 073 K很接近。且此时对应的曲轴转角为350°，与文献中着火时刻对应的曲轴转角347°接近，说明该模型能够反映柴油机的正常工作特性，因此计算模型可靠。

图2 缸内压力和温度的模拟与试验结果对比

2 模拟结果与分析

2.1 预混合氢气量的影响

计算采用的燃烧模式是在缸外形成氢气与空气的均质混合气，然后混合气进入气缸，并通过缸内直喷柴油压燃后引燃氢气混合气。发动机转速为2 800 r/min，EGR率为0.1，计算时间从进气门关闭(230°)之后到排气门开启(484°)，此区间内进排气门处于关闭状态。

保持燃油低热值不变，假设混合燃料中氢气质量分数为x，则相对应的柴油的质量为(1-x)，氢气和柴油的热值分别按121 MJ/kg和42.5 MJ/kg进行计算，得出混合燃料中的氢气和柴油的质量(见表2)。

表2 氢气和柴油的质量

图3示出氢气质量分数对缸内压力、温度和放热率的影响，柴油喷油时刻保持不变以实现预混合燃烧方式。从图中可以看到，随着氢气质量分数的增加，缸内最高燃烧压力点前移，缸内最高压力增大。 从温度曲线可以看出，随着氢气质量分数的增加，缸内最高温度增大。在燃烧滞燃期，温度急剧上升，在喷油后1°出现了一个较小的新的温度峰值。这是由于柴油压燃着火后，柴油燃烧引燃氢气，在较短的时间内形成了多个稳定的火焰中心，使得氢气在较短的时间内被点燃，迅速释放出大量的热量，使得该阶段的温度迅速升高，出现温度峰值，且随着氢气质量分数的增加，羟基自由基浓度增大，反应速度加快[9]，峰值位置提前。从放热率曲线可以看出，随着氢气质量分数的增加，最大放热率升高。由于氢气燃烧的火焰面前进速度快于柴油扩散燃烧的火焰面[9]，滞燃期缩短[10-11]。

图3 缸内压力、温度、放热率随H2质量分数变化

图4示出了氢气质量分数对NOx和Soot质量分数的影响。随着预混合氢气比例的增加，缸内压力和温度升高，NOx质量分数升高，Soot质量分数降低。

图4 氢气质量分数对NOx和Soot质量分数的影响

2.2 喷射策略的影响

预喷射和后喷射具体喷油策略见表3。采取预喷射和后喷射策略时，主喷时刻均为10°BTDC，脉宽保持为13°，预喷脉宽和后喷脉宽均为5°，氢气质量分数为10%。在预喷射和后喷射策略中，柴油总量保持一致。

表3 预喷和后喷具体喷油策略

2.2.1 预喷策略的影响

2.2.1.1 预喷油量

图5示出了预喷间隔为10°，预混合10%氢气时，不同预喷油量下的缸内压力、放热率、NOx和Soot生成情况。

图5 预喷油量对缸内压力、放热率、NOx和Soot生成的影响

从图5a中的缸内压力和放热率曲线可以看出，随着预喷油量的增加，缸内压力峰值升高，滞燃期始点提前。但是由于主喷阶段燃油量的减少，放热率峰值降低。在预喷射阶段，放热率形成一个小峰值，并且随着喷油量的增加，该峰值增大。

从图5b中的排放曲线可以看出，随着预喷燃油的增加，预喷射产生的放热量增加，缸内温度升高，高温区的形成增加了NOx排放[12]。预喷射燃油喷入缸体，由于缸内温度较低，只发生低温冷焰反应，不进行燃烧。当预喷射的燃料叠加到主喷射，造成预混合量增加，从而预燃烧温度增加，NOx生成量增加。由于预喷射使得缸内气体流动加剧，燃料混合更加充分，燃烧高温抑制了Soot的生成。

2.2.1.2 预喷时刻

图6示出了预喷量为10%，预混合10%氢气时，不同预喷时刻下的缸内压力、放热率、NOx和Soot生成情况。从图6a中的缸内压力和放热率曲线可以看出，随着预喷间隔的增加，缸内压力峰值增大，放热率峰值降低，燃油在缸内提前燃烧，缩短了主喷阶段的滞燃期，放热始点前移。预喷射时刻的改变主要影响主喷的压力峰值和放热率，对相位的影响较小。从图6b中的排放曲线可以看出，随着预喷间隔的增加，NOx排放升高；但预喷射缩短了滞燃期，有利于燃油混合气的形成，减少了Soot排放。

图6 预喷时刻对缸内压力、放热率、NOx和Soot生成的影响

2.2.2 后喷策略

2.2.2.1 后喷油量

图7示出了后喷间隔为25°，预混合10%氢气时，不同后喷油量下的压力、放热率、NOx和Soot生成情况。

从图7a中可以看出，随着主喷射量减少，后喷量增加，缸内最高压力减小，放热率峰值逐渐远离上止点，且放热率峰值减小。随着后喷射量的增加，后喷射燃油燃烧释放热量增多。但是后喷油量相对于主喷油量仍较小，后喷所带来的燃烧放热对整个缸内的压力影响也较小，从而缸内压力和放热率曲线整体变化不大。从图7b的排放曲线可以看出，随着后喷油量的增加，NOx排放逐渐减少。这主要是因为主喷油量减少，缸内最高温度降低，改善了高温环境，从而抑制了NOx的生成。炭烟的氧化速率实际上决定了炭烟排放水平。高浓度Soot区域主要集中在燃烧室的凹坑处，因为凹坑处的氧气含量较低，燃烧废气较多，Soot不易被氧化。由图8可以看出，增加后喷喷射策略后，Soot质量分数高的面积减小，这是因为油束能够裹带氧含量较浓的缸内中心区域气体到达Soot质量分数较高的区域，氧化已生成的Soot，因此Soot质量分数降低。

图7 后喷油量对缸内压力、放热率、NOx和Soot生成的影响

图8 不同条件下的Soot质量分数云图

2.2.2.2 后喷时刻

图9示出了后喷喷油量为10%，预混合10%氢气时的缸内压力、放热率、NOx和Soot生成情况。从图9a中可以看出，缸内压力峰值比无后喷时低，而放热率峰值增加。后喷间隔变化时，缸内压力几乎不变。主要原因是主喷燃油减少，释放的热量减少，压力降低；当后喷推迟到主喷时刻之后20°时，远离放热率峰值点，使得主喷阶段的燃烧更加充分，放热率峰值略微增大。

从图9b中排放曲线可以看出，有后喷射策略时NOx和Soot的质量分数要低于无后喷射策略时。随着后喷射间隔角的增加，NOx和Soot质量分数未出现明显的变化。这是因为后喷射燃烧使得过量空气系数减小，缸内温度不高，未大量生成NOx。后喷的提前使得部分氧气较浓的气体能够较早地进入凹坑内，但此时缸内压力较大，油束较短，综合作用下Soot质量分数变化不大。

图9 后喷时刻对缸内压力、放热率、NOx和Soot生成的影响

3 结论

a) 随着预混合氢气质量分数的增加，缸内压力和温度升高，NOx排放指标恶化，Soot排放指标改善；

b) 在预混合燃烧模式中采用预喷喷射策略，相较于无预喷喷射策略，缸内压力升高，NOx质量分数增加，放热率降低，Soot质量分数降低；随着预喷射油量和预喷间隔角的增加，NOx质量分数增加，Soot质量分数降低；

c) 在预混合燃烧模式中采用后喷射喷射策略，相较于无后喷喷射策略，缸内压力和温度降低；随着后喷油量的增加，缸内压力和放热率稍微减小；随着后喷间隔角的增加，缸内压力、放热率以及NOx和Soot排放均未发生明显变化。

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[编辑： 姜晓博]

Influences of Pre-mixed Hydrogen on Diesel Engine Combustion and Emission Performance

YAO Jiaqi, PAN Jianfeng, XIAO Man, CHEN Linlin

(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The numerical model for pre-mixed charge hydrogen/diesel engine was built by using AVL FIRE software and was further verified by the experimental results. Based on the modified injection strategy, the in-cylinder working process and the correspondent combustion and emission performance were simulated and analyzed with the model. The results showed that the increased fraction of hydrogen led to the increase of in-cylinder temperature and pressure and NOxemission and the reduction of soot emission. With the increase of pre-injection quantity and interval, the mass fraction of NOxand soot emission increased and decreased respectively. In addition, the in-cylinder pressure and heat release rate decreased and the NOxand soot mass fraction decreased with the increase of post-injection quantity, but they hardly changed with the increase of post-injection interval.

diesel engine； pre-mixing； hydrogen； multiple injection； combustion； emission

2015-06-15；

2015-10-20

江苏省自然科学基金项目(BK20131253);江苏省高校优势学科建设工程资助项目

姚嘉琪(1990—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机喷雾与燃烧；bernieyjq@126.com。

潘剑锋(1978—)，男，教授，主要研究方向为动力机械燃烧过程和燃烧系统；mike@ ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.013

TK421.2

B

1001-2222(2016)01-0068-05