点火提前角对氢发动机NOx排放的影响

卓光锋，阿俊利

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

前言

生态环境恶化和石油资源短缺是 21世纪世界各国共同面临的两个重大问题，寻找替代的清洁能源是人类所做的必然选择。氢能源以其洁净性和资源的永久再生性等独特优势使得氢燃料汽车的开发与研究正在受到世界各国的青睐。氢燃料发动机的排放产物中既无碳氢燃料燃烧产生的CO、HC和碳烟等有害排放物，也无近年已被公认是引起环境恶化的主要因素之一的CO2，它唯一的有害排放物是NOX[1]，氢可谓是未来汽车的理想燃料。虽然氢气用作内燃机燃料时排放物只有NOX，但NOX排放量却很高。本文运用数值模拟与理论分析相结合的方法重点研究点火时刻对氢内燃机 NOX排放特性的影响，为氢内燃机的优化设计提供理论参考。

1 研究对象

本文的研究对象是一台由嘉陵JH600汽油机改装而成的四气门PFI单缸氢发动机，其基本参数为：缸径94mm、行程85mm、压缩比6.7、最大功率30KW、最大功率转速6000rpm。根据该研究对象的实际尺寸和基本参数利用Pro/E建立其三维计算模型。由于该氢发动机的进气管、燃烧室和排气管部分的几何模型关于过气缸轴线的平面对称，为简化计算，该研究的计算模型只取其中一半。

本文数值模拟计算中，燃烧模拟进行一个工作循环，从进气门打开开始计算，到下个循环进气门打开结束。定义发动机进气上止点为360°CA,燃烧上止点为720°CA。其具体配气相位如下：气门重叠期为：351°CA-394°CA、进气阶段为：394°CA-634°CA、压缩做功阶段为：634°CA-866°CA、排气阶段为：866°CA-1071°CA。

为了确保计算的精简、快速，对每个过程都进行了单独的定义，并对进排气口、气门和气门座附近进行了局部细化。本文在模拟时考虑了初始条件和边界条件对工质的影响。本次模拟计算时所采用的初始条件与边界条件均来自于经验值。初始条件缸内初始温度950K，缸内初始压力0.108MPa。边界条件为：空气进口压力 0.1Mpa、排气出口压力为0.106Mpa、进气道固定壁面温度为300K、排气道固定壁面温度为600K、气缸壁固定壁面温度为480K、活塞移动壁面温度为600K。

2 模拟方案

合理的点火正时是改善氢发动机性能和抑制异常燃烧的础，点火提前角的设定对氢发动机的排放有着重要的影响。氢发动机有害排放物中只有 NOX，其中对环境影响最大的是NO和 NO2，氢发动机排气中的NOX污染，主要是指NO及NO2污染，其中NO2的含量比NO低得多，大约为5%左右，所以氢发动机NOX排放的研究主要指NO。而氢发动机排气中的NO基本上指高温NO，它的反应只有在大于1600℃的高温下才能进行[2]。

本文选取的发动机转速为 4500r/min，单孔单次喷射，喷孔位置在进气歧管的鼻梁上。固定喷氢时刻为 414°CA。选取氢发动机的点火时刻为研究对象，设置点火时刻为 695°CA、700°CA、702.5°CA、705°CA，研究点火时刻对氢发动机排放特性的影响。

3 结果分析

3.1 不同点火时刻对缸内压力与温度的影响

图1 不同点火时刻缸内压力变化曲线

图2 不同点火时刻缸内燃烧温度变化曲线

由图1可以看出随点火提前角的增大，缸内压力峰值逐渐增大，且压力峰值出现的时刻也逐渐提前。随着点火时刻的提前，在活塞到达上止点前气缸内参与燃烧的燃料的量增大，在点火初期，缸内气体正处于压缩的末期，此时缸内的气流流动较强，氢气和空气的混合强度较高，湍流强度较大，而湍流强度与火焰传播速率呈线性关系，混合气燃烧速率会加快，从而发动机的定容程度高，热功转换效率提高，所以缸内气体压力伴随着压力峰值的提前，气体燃烧压力逐渐增大。

由图2可知，以点火时刻695°CA为例。缸内温度曲线随曲轴转角先升高后降低。缸内温度随压缩温度逐渐升高，经过短暂的滞燃期，缸内燃料开始燃烧气缸内温度升高率增大，与压缩温度分离并逐渐增大，直至最高燃烧温度曲轴转角在747°CA达到1943K，此时燃烧室主要容积已被火焰充满，混合气燃烧速率开始降低，加上活塞向下止点加速移动，气缸温度开始下降。且随点火时刻的提前，燃料燃烧放热的始点提前，燃烧的定容度增大，由此导致火焰传播速度提高，燃烧速度加快，燃料的放热率峰值越来越靠近上止点。此外，随着点火时刻提前，传热损失减小，因此缸内燃烧温度峰值呈增加的趋势。

3.2 点火提前角对NO排放的影响

图3 不同点火时刻下NO质量分数

如图3所示当空燃比一定时，随点火提前角增大，NO质量分数逐渐增大。增大点火提前角使较大部分的燃料在压缩上止点前燃烧，导致缸内最高爆发压力增大，缸内燃烧温度随之增大，而且随着点火提前使得已然气体在高温下停留的时间加长，这两个因素都会导致NO排放量的增大。因此延迟点火有利于有效地降低NO的排放。

4 结论

本文通过数值模拟与理论研究相结合的方法，研究了点火时刻对NO排放的影响，由上文分析可以清楚地看出：点火提前角是影响NO排放的重要运转参数，推迟点火可以有效地降低氢发动机NO的排放。

[1] 杨振中.氢燃料发动机燃烧与优化控制[D].杭州:浙江大学,2001.

[2] 张翠萍.内燃机排放与控制[M].机械工业出版社.