氢燃料内燃机NOx排放特性及机理

朱海荣，耿泽伟，刘庆刚，彭培英

(河北科技大学机械工程学院, 河北石家庄 050018)

氢燃料内燃机NOx排放特性及机理

朱海荣，耿泽伟，刘庆刚，彭培英

(河北科技大学机械工程学院, 河北石家庄 050018)

为深入研究氢燃料内燃机NOx的生成机理，基于CONVERGE软件建立了三维网格耦合详细化学反应机理的氢燃料内燃机CFD仿真模型，进行了氢燃料内燃机在不同负荷下的燃烧及排放特性研究。模型的仿真结果和试验数据较为吻合。结果表明，氢气浓度增大有利于提高氢燃料内燃机的效率；NO的大量生成出现在不断升温的快速燃烧期，快速燃烧结束后NO总量不断减少，其缸内平均温度低于2 200 K时NO总量趋于稳定；热NO，NNH和N2O是NO生成最主要的路径，其中热NO路径产生的NO排放最多，其贡献率随着负荷增大而增大。NNH和N2O路径在较低浓度时有接近25%的贡献率，而在燃空当量比为1.0时，这2种路径对NO生成的贡献率之和为负值。采用化学反应动力学方法得到了3种路径在不同负荷下对NO生成的贡献率，初步揭示了氢燃料内燃机NOx生成的机理，为后续研究提供了理论参考。

内燃机工程；氢燃料内燃机；详细机理； NOx排放；反应路径；贡献率

传统内燃机产生大量的温室气体和有害排放，对环境造成不利的影响，因而寻找低碳排放的内燃机替代燃料很有必要[1-2]。氢气燃烧清洁且可再生，被一些研究者认为是性能较为优越的内燃机替代燃料[3-5]。一些汽车厂商如宝马、福特、长安分别研发了氢燃料内燃机(HICE)，并将其应用于汽车。示范运行的数据表明氢燃料内燃机具有较好的动力性和可靠性，而且几乎没有含碳排放[6-10]。

NOx是氢燃料内燃机主要的有害排放物。研究发现，氢燃料内燃机在高负荷时会产生大量的NOx排放，这是很难避免的；研究者们将NOx排放归结于缸内温度的升高，并发现采用稀薄燃烧、推迟点火、废气再循环等方法都能有效地降低NOx排放[11-14]。上述研究主要由试验得到了NOx排放随内燃机控制参数变化的规律，但鲜有对其生成机理的研究。

氮气在高温下的氧化是一个复杂的过程，采用化学反应动力学方法分析反应是有效的手段。本文基于已有的氢燃料内燃机试验样机建立三维网格耦合化学反应机理的CFD仿真模型，研究缸内燃烧和排放物生成过程，揭示氢燃料内燃机在不同负荷下的燃烧及排放生成规律。

1 方法和模型

1.1 氢燃料内燃机

用于建模的氢燃料内燃机是一台4缸4冲程自吸式火花点火发动机，每缸排量0.50 L。内燃机的主要参数见表1。

采用Pro-E软件建立内燃机的三维实体模型。为了简化计算，建模时忽略各缸进气的不一致性，最终三维实体模型仅包含单个汽缸、进排气道、氢气喷阀、气门，如图1所示。将实体模型以STL文件格式导入CONVERGE软件，设定不同区域的边界类型以及基础网格尺寸和加密规则，在进行仿真计算时CONVERGE软件会自动生成计算网格。本文设定的基础网格边长为8 mm。汽缸内部、边界、气门区域和点火区域分别加密2～4级。在点火和火焰前锋面等温度压力急剧变化的区域加密5级，火焰区的网格边长为0.5 mm，燃烧模拟时网格总数超过48万。

表1 氢燃料内燃机主要参数

1.2 燃烧模型

本文采用基于仿真初始值引导化学反应机理的SAGE模型，燃烧机理文件自主编写并存储在工作目录，在燃烧模拟时随时调用。燃烧机理文件以CHEMKIN 格式保存。本文选择GRI 3.0详细机理并对其进行简化。GRI 3.0机理包含69 步H-O-N基元反应，被研究者广泛引用并证明具有很高的精度[15]。基于敏感系数法简化后包含22步可逆基元反应，以文本文件存储。其中N-O反应机理包含常见的热NO路径、NNH-NO路径和N2O-NO路径，能够较为详尽地揭示NO的生成过程。

化学反应机理启动的温度设置为858 K。点火模型设置为能量释放模式。在开始点火的0.5 ℃A内将点火能量(本文设定为20 mJ)的60%释放在火花塞之间狭小区域内。在随后的2 ℃A释放其余的点火能量，从而在局部产生高温，使化学反应机理顺利启动。软件根据自带的反应物、中间物和生成物热力学参数计算缸内的热力过程。

1.3 流动、传热、喷射模型和仿真参数设定

缸内流动状况影响火焰的传播速度，采用RANGk-ε模型计算缸内的湍流，局部流动速度等于平均速度和波动速度的叠加。将氢气的喷射设置为单位质量流量。初始参数依据经验设置，主要边界条件是：活塞温度550 K，汽缸壁温度450 K，汽缸盖温度420 K。仿真步长设置为0.01 ℃A。

仿真时，采用节气门全开的方式，当燃空当量比从0.6增大到1.0，选取转速为3 000 r/min，点火提前角在-14°～4° BTDC(before top dead center)，计算热力学参数和反应基元浓度随曲轴转角的变化。

1.4 模型验证

采用仿真模型计算得到的NOx排放数值和试验数据[16]有较好的吻合度，如图2所示。仿真得到的NOx排放略低于试验值，最大误差为11.06%。仿真得到的燃烧速度比试验的更快，这和国外的研究成果一致，也是造成误差的主要原因。

2 结果与讨论

基于上述的仿真模型，仿真研究了不同燃空当量比的燃烧和排放特性。

2.1 缸内压力和温度的变化

图3和图4是不同燃空当量比下的缸内压力以及缸内平均温度的曲线。由图可知，燃空当量比为0.6时，最大爆发压力为5.08 MPa，最高平均温度为2 264 K；而燃空当量比为1.0时，最大爆发压力为6.32 MPa，最高平均温度为2 916 K。

随着燃空当量比的增大，缸内最大爆发压力和缸内平均温度的峰值持续增大，最大压力和缸内温度峰值上升也更为迅速。说明氢气浓度增大时滞燃期和燃烧持续期更短，这使得压力升高过程中缸内工质的等容度更高，有利于提高氢燃料内燃机的效率。同时，迅速地燃烧放热产生的缸内高温必然会导致大量的NOx排放。

2.2 NO的变化规律

NOx包含NO，NO2和N2O等成分，其中NO占主导地位。研究表明，整个高负荷区，NO占全部NOx排放的97%以上，是氢燃料内燃机NOx排放的主要组成部分[17]。本文主要分析NO的生成规律。以下通过分析火焰传播、温度变化和NO分布来揭示NO的生成过程以及产生机理。

图5给出了汽缸内OH分布随曲轴转角的变化规律。云图采用了与活塞平行和垂直的2个平面组合，以更好地显示浓度的空间分布。OH基是氢氧反应的主要中间基元，根据其浓度可知火焰的位置和强度。由图5可知，在火焰迅速发展的快速燃烧期(3～10 ℃A)，火焰前锋面内的OH浓度随着火焰的传播不断增加，体积分数达到3.6%，远高于其后方的已燃区。

图6给出了温度随曲轴转角的变化规律。由于氢气的迅速燃烧和放热，火焰前锋面内的温度也明显高于其后部的已燃区。火焰前锋面局部温度达到3 500 K，而在其后方的已燃区，由于高温高压气体的膨胀，温度迅速降低到2 900 K左右。

图7给出了NO分布随曲轴转角的变化规律。高温造成了很高浓度的NO生成。火焰前锋面内NO浓度达到了极高的9%，而在已燃区内NO局部浓度迅速降低至3%。NO对温度非常敏感，温度大幅度下降造成已经产生的NO部分分解。在快速燃烧结束后(10～15 ℃A)，由于放热基本结束，整个汽缸内充满了已燃气体，火焰前锋面消失后，极高浓度的NO区域消失。整个汽缸内气体逐步膨胀，温度持续降低，由于不同区域的温度差异不断减小，NO的浓度差异减小，汽缸内各个区域的NO浓度都在不断降低，汽缸内的NO总量不断减小。

2.3 不同燃空当量比下NO浓度随曲轴转角的变化规律

图8给出了不同燃空当量比下汽缸内NO总体积分数随曲轴转角的变化规律。由图可知，在高负荷区，NO的最终排放浓度均在1.5‰以上，在燃空当量比为0.8时，NO最终排放浓度出现6.424‰的峰值。高负荷的NO排放甚至高于传统内燃机。

由图8可知，在不同燃空当量比下NO质量随曲轴变化的规律略有不同：燃空当量比为0.6～0.7时，汽缸内的NO体积分数在快速燃烧期急剧增大，在快速燃烧结束后，NO体积分数略有下降，这说明缸内温度降低造成的NO分解并不显著。燃空当量比为0.8～1.0时，汽缸内的NO总量随火焰发展而急剧增大，在快速燃烧结束时出现很高的峰值，随即迅速下降，然后NO总量的下降趋势变缓，在这个区间内的NO分解是显著和无法忽视的。

结合图 4分析可知，快速燃烧期结束后的NO分解和温度的降低紧密相关。在缸内平均温度降低至2 200 K时，NO的分解接近停止，NO体积分数基本保持不变。高浓度混合气体产生很高的燃烧温度和汽缸内平均温度，2 916 K@燃空当量比1.0；2 264 K@燃空当量比0.6。从缸内最高温度降低至2 200 K的时间增大，因而NO的分解更加显著。这是高负荷时快速燃烧结束后NO浓度的下降趋势更为明显的主要原因。

2.4 NO生成路径及生成率

先前的研究认为，热NO路径、NNH-NO路径、N2O-NO路径是氢燃料内燃机NO生成的3种主要路径[18-20]，在不同燃空当量比时，3种路径的贡献率如图9所示。

由图9可知，热NO对排放的贡献率最高，在燃空当量比为0.6时其贡献率为75.8%，而燃空当量比为1.0时达到了123.9%；N2O-NO和NNH-NO的贡献也比较重要，在燃空当量比为0.6时，二者的贡献率之和为24.2%，随着浓度和温度的升高，二者的贡献率降低，在燃空当量比为1.0时，二者的贡献率之和为-23.9%。

NO的最终排放取决于快速燃烧的生成和温度下降的分解两种作用，N2O-NO和NNH-NO两种路径的反应速率低于热NO路径，其逆向反应在燃空当量比为1.0时进行的时间很长而逆反应开始时NO的浓度很高，这两种路径对NO的分解作用大于生成作用，因而对NO排放的贡献率为负值。

3 结 论

1)随着燃空当量比的增大，缸内最大爆发压力和缸内平均温度的峰值持续增大，上升也更为迅速，说明氢气浓度增大时滞燃期和燃烧持续期更短，有利于提高氢燃料内燃机的效率。

2)在快速燃烧期(3～10 ℃A)，火焰前锋面内的OH浓度和温度均明显高于其后部的已燃区，高温加快了NO生成，火焰前锋面内NO浓度也达到了最大值9%。在快速燃烧结束后(10～15 ℃A)，汽缸内气体逐步膨胀，温度持续降低，NO浓度不断降低。

3)在高负荷区，NO最终排放浓度均在1.5‰以上，燃空当量比为0.8时，NO最终排放浓度出现6.424‰的峰值量。在火焰前锋面内，NO具有极高的浓度，随着已燃区气体的膨胀和温度的降低，已燃区内NO的浓度也迅速降低，部分NO分解，降温过程越长，NO分解越多。

4)热NO，NNH-NO和N2O-NO等3种路径对最终NO排放的贡献率随负荷变化。热NO的贡献率最高，燃空当量比为0.6时其贡献率为75.8%，而燃空当量比为1.0时达到了123.9%，NNH-NO和N2O-NO在燃空当量比为0.6时贡献率之和为24.2%，但在燃空当量比为1.0时的贡献率之和为负值。

本文采用化学反应动力学方法得到了3种路径在不同负荷下对NO生成的贡献率，初步揭示了氢燃料内燃机NOx生成的机理。后续工作可继续在此化学反应机理下提高模型精度，以便得到更准确的NO生成路径及其贡献率。

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Characteristics and mechanism of NOxemission of hydrogen fueled internal combustion engine

ZHU Hairong， GENG Zewei， LIU Qinggang， PENG Peiying

(School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China)

In order to deeply study the NOxformation mechanism of hydrogen fueled internal combustion engine (HICE), a hydrogen fueled internal combustion engine CFD simulation model including three-dimensional gridding coupling detailed chemical reaction mechanism is built based on CONVERGE software, and the combustion and emission characteristics of hydrogen fueled internal combustion engine under different loads are researched. The simulation result is consistent with the experimental data. The simulation results show that the increasing concentration of hydrogen is beneficial to improving the efficiency of hydrogen fuel internal combustion engine. The large amount of NO generates in the rapid combustion period, the total amount of NO decreases constantly after the rapid combustion period, and the total amount of NO tends to be stable when the average temperature is below 2 200 K. NO is generated mainly through three paths including thermo NO, NNH and N2O, and the thermo NO path contributes a large proportion of total NO emissions, whose contribution ratio increases with the increase of fuel-air equivalence ratio. NNH and N2O contribute about 25% of total NO emissions at lower concentrations, while when fuel-air equivalence ratio is 1.0, the sum of the contributions of these two paths to NO generation is negative. The contribution ratios for NO generation of three paths under different loads are obtained using chemical reaction kinetics method, which can reveal the NOxgeneration mechanism of hydrogen fuel internal combustion engine and establish the theoretical foundation for subsequent study.

internal combustion engine engineering; hydrogen fueled internal combustion engine; detailed mechanism; NOxemission; reaction path; contribution ratio

1008-1542(2017)06-0530-06

10.7535/hbkd.2017yx06004

TK464

A

2017-09-09；

2017-10-28；责任编辑：冯 民

国家自然科学基金(51706058)；河北省高等学校科学技术研究项目(QN2016056)；河北科技大学五大平台开放基金(PT2015022)

朱海荣(1979—)，女，河北廊坊人，讲师，博士，主要从事内燃机燃烧、热负荷与热疲劳方面的研究。

刘庆刚副教授。E-mail:qgliu81@163.com

朱海荣，耿泽伟，刘庆刚，等.氢燃料内燃机NOx排放特性及机理[J].河北科技大学学报,2017,38(6):530-535.

ZHU Hairong，GENG Zewei，LIU Qinggang，et al.Characteristics and mechanism of NOxemission of hydrogen fueled internal combustion engine[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(6):530-535.