掺氢天然气HCCI发动机燃烧特性数值模拟研究

李岳林，沈嘉诚

（长沙理工大学，长沙 410114）

近年来，学者们除了寻求新的清洁可替代燃料降低现有传统汽油机油耗和排放[1]外，还对发动机的燃烧方式进行了改良，以满足更加严格的排放法规。HCCI是一种新型的发动机燃烧模式，它与传统的压燃式（CI）柴油机与火花点燃式（SI）汽油机在一定程度上有相似之处但又有所不同[2]，即着火时缸内出现多个共同燃烧的点，无明显的火焰前锋，而且燃烧速度快、效率高、燃烧温度相对较低，分布较为均匀，NOx排放也相对较低[3]。氢气掺入对天然气发动机的燃烧和排放等各方面有较大的影响，主要影响有着火时刻、缸内温度、缸内压力、NOx和CO2的排放[4-5]，所以在石油资源不断枯竭和温室效应日益严重的今天，掺氢天然气HCCI结合了清洁、可替代燃料和新型燃烧方式的优势，具有很好的应用前景。

氢气作为天然气燃料的添加剂，可以降低运行成本[6]，改变天然气HCCI发动机的点火时刻，提高天然气HCCI发动机的燃烧动力性能[7-8]。PORPATHAM等[9]最先在AVL单缸机上对掺氢天然气燃料的燃烧进行了研究，试验表明掺氢可以使点火提前角推后，从而使火焰温度下降，可减小NOx排放。汪硕峰等[10]在一台加装了电控氢气喷射系统的发动机上就进气掺氢体积分数对发动机性能的影响进行了试验研究，结果表明，掺氢后发动机热效率升高，发动机循环变动降低。对掺氢天然气均值压燃发动机燃烧特性的研究还不是很充分，本文将在掺氢体积比为5%时，就不同运转参数对燃烧特性的影响进行研究。采用控制变量法研究了4个不同运转参数（表1）的变化（转速、过量空气系数以及进气温度与压力）对掺氢天然气HCCI发动机燃烧特性的影响，为实际改善掺氢天然气HCCI发动机的燃烧动力性、经济性和降低污染物排放提供理论依据。

表1 不同运转参数

1 模型建立

1.1 反应机理

运用Chemkin对掺氢天然气HCCI发动机缸内燃烧过程进行数值模拟，需要导入相应的重整反应机理与燃料燃烧化学动力学机理。在 Chemkin模拟计算中，选择天然气研究所 （Gas Research Institute，GRI）Mech 3.0化学反应机理[11]，其包括53种物质，325个基元反应式，有 C1反应、C2反应、甲醛和 NOx形成机理以及N化学机理。

1.2 控制方程

采用封闭内燃机燃烧的反应器来模拟HCCI条件下天然气与氢气的混合燃烧特性。假设混合气为理想气体，缸内的混合气工质处于密封的状态、无气体泄露。

根据理想气体状态方程，压力可以表示为：

式中：ρ为密度，kg/m3；R为比例常数；T为理想气体的热力学温度，为混合气的平均摩尔质量，kg/mol。

控制方程可以看作一个由Yk和T组成的k+1个未知数的一阶非线性方程组：

式中：v为比容，m3/kg；ek为混合气中第k种组分的内能为混合气中第k种物质的量变化率，mol/(m3·s)；Wk为混合气中第k种物质的摩尔质量，kg/mol；m为混合气总质量，kg；V为系统的容积，m3；Yk为混合气中第k种物质的质量分数；cv,k为混合气中第k种组分的比热容，J/(kg·K)。

1.3 几何模型

图1为发动机单缸几何模型示意图，其中虚线面积为扫气容积。在均质燃烧模型中，一般采用扫气容积来表示时间函数，则时间函数随曲柄转动角度变化。

图1 发动机单缸几何模型

压缩比表示为：

式中：D为缸径，m；LA为曲轴半径，m；VC为余隙容积，m3。

发动机连杆与曲轴半径的比值表示为：

式中：LC为发动机连杆长度，m。

曲轴转角速率表示为：

式中：θ为曲轴转角，rad；t为时间，s。

根据式（3）～（5）可以得到发动机气缸扫气容积随压缩比、发动机连杆和曲轴转角变化的函数方程：

式中：V(t)为t时刻时的气缸容积。将式（6）对时间t进行求导，可得到发动机气缸扫气容积的变化率为：

联立方程组式（2）和式（7）可计算出HCCI发动机燃烧过程中的压力、温度以及各物质组分摩尔分数的变化。

1.4 传热模型

将进气门关闭作为计算起始点，放热率如式（8）所示。

式中：m为缸内工质物质的量，mol；u为气体内能，J；ϕ为曲柄转角，rad；QW为传给缸壁的热量，J。

采用Woschni经验公式计算HCCI发动机传给缸壁的热量：

式中：QW为传给缸壁的热量，J；As为有效传热面积，m2；T为工质温度，K；Tm为缸壁温度，K。传热系数h定义为：

式中：B为缸径，m；P为缸内压力，Pa；T为缸内温度，K。

2 模型验证

为了对建立的模型进行验证，在搭建好的HCCI发动机燃烧模型仿真平台上，对掺氢体积比为5%的天然气HCCI过程进行数值模拟。以ZS195非增压水冷直喷式天然气发动机的结构参数作为几何模型的初始输入参数（表2）。

表2 ZS195结构参数

模拟燃空当量比为0.3、进气温度为442 K、进气压力为0.1 MPa、压缩比为17.8、转速为1000 r/min时的发动机缸内压力值和缸内温度值，并将模拟得到的数值分别与试验值进行对比验证。

试验用发动机以ZS195发动机为原型，进行优化改进。天然气与氢气混合气按比例预先在高压气瓶中混合，以喷入气缸。掺氢天然气HCCI发动机试验采用KN-2电加热器加热，Pt100热电偶测量进气温度，缸内压力信号传感器采用Kistler 6052A，曲轴信号传感器采用Kistler 2613B，信号放大器为Kstler 5019B，燃烧分析仪为Kistler 2893 KiBox，尾气分析仪采用Horiba MEXA-7100DEGR。模拟得到的缸内压力值、缸内温度值和NOx排放值分别与试验值对比，如图2～4所示。由图可知，数值模拟计算得出的缸内压力值与试验值误差为6.32%，缸内温度值误差为3.68%，NOx排放误差值为3.16%。这表明建立的燃烧模型可以较为准确地对掺氢天然气HCCI发动机的燃烧过程进行数值模拟。

图2 缸内压力对比曲线

图3 缸内温度对比曲线

图4 NOx摩尔分数对比曲线

图5和图6是在转速为1000 r/min，进气压力为0.1 MPa，过量空气系数为2，进气温度为460 K的运行工况下，模拟计算得到掺氢体积比为0%、2%和5%时的掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程的缸内温度与压力变化曲线。

3 模拟结果分析

3.1 不同掺氢比对燃烧特性的影响

图5 不同掺氢比下缸内压力变化曲线

由图5和图6可知，随着掺氢体积比的增大，HCCI发动机着火时刻随着掺氢比的增大而不断提前，但提前的幅度有所降低。这是因为氢气的燃烧速度比天然气快。缸内最大压力升高，缸内最高温度也升高。这是因为氢气燃烧速率快，加快了掺氢天然气混合后燃料的燃烧速率。随着掺氢比的不断增大，压燃着火时刻在不断提前，着火时的活塞距离发动机气缸上止点的位置也不断逼近，所以缸内最大压力和缸内最高温度升高。

图6 不同掺氢比下缸内温度变化曲线

图7是在当前运转参数下模拟计算得到掺氢体积比为0%、2%和5%的掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程的放热率变化曲线。

图7 不同掺氢比下的燃烧放热率变化曲线

由图7可知，随着掺氢比的增大，天然气HCCI发动机燃烧过程的放热率逐渐升高。这是因为氢气的体积热值高，与天然气混合后，增大了混合燃料的体积热值。此外，随着掺氢比的增大，着火时刻不断提前，这表明稀掺氢有利于提高天然气HCCI发动机的燃烧动力性。

图8是在当前运转参数下模拟计算得到掺氢体积比为0%、2%和5%的掺氢天然气HCCI发动机燃烧生成的NOx摩尔分数变化曲线。生成NOx的摩尔分数随掺氢体积比的增大而升高，这是因为天然气掺入氢气混合后燃料的体积热值增大，提高了HCCI发动机燃烧过程中的缸内温度与燃烧放热，而NOx的生成主要受高温高压影响，所以掺氢导致天然气HCCI发动机燃烧过程中的NOx排放量增加。

图8 不同掺氢比下NOx摩尔分数变化曲线

3.2 转速对燃烧特性的影响

图9和图10是掺氢体积比为5%的掺氢天然气HCCI发动机，在过量空气系数为2，进气压力为0.1 MPa，进气温度为460 K的运转参数下，转速分别为800 r/min、1000 r/min和1200 r/min时的燃烧过程中缸内压力和温度变化曲线。

图9 不同转速下缸内压力变化曲线

图10 不同转速下缸内温度变化曲线

由图9和图10可知，随着转速从800 r/min增至1200 r/min，掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中的缸内压力和温度峰值无明显变化，但着火时刻有所提前。这是因为转速的增加使HCCI发动机的活塞上行速度加快，缸内温度和压力提高速度加快，导致着火时刻提前，但过大的转速会使着火时刻过于靠前。

图11是掺氢体积比为5%的掺氢天然气HCCI发动机在当前运转参数下，转速分别为800 r/min、1000 r/min和1200 r/min时的燃烧放热率变化曲线。由图可知，随着转速的增大，掺氢天然气HCCI发动机燃烧放热率无明显变化，这是由于发动机气缸内的温度和压力最大值无明显变化所致。

图11 不同转速下燃烧放热率变化曲线

图12是在当前运转参数下，转速分别为800 r/min、1000 r/min和1200 r/min时的NOx摩尔分数变化曲线。随着转速的增加，掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中生成的NOx摩尔质量分数降低。这是由于转速的增加使HCCI发动机的活塞上行速度加快，掺氢天然气混合燃料燃烧的化学反应时间相对减少，导致NOx的生成量也减少。

图12 不同转速下NOx摩尔分数变化曲线

在掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中，增大转速对缸内的温度、压力和燃烧放热率基本无影响，但过大的转速会使着火时刻过于靠前；增大转速致使掺氢天然气HCCI发动机燃烧生成的NOx量有所降低。

3.3 过量空气系数对燃烧特性的影响

过量空气系数选取的值从1.5变化到2.5，掺氢天然气HCCI发动机缸内工质的组分也随之发生变化。为保持每次缸内工质的摩尔总数为1，计算出了不同过量空气系数下缸内工质组分的数值，见表3。

表3 不同过量空气系数下发动机缸内工质组分数值

图13和图14是掺氢体积比为5%的掺氢天然气HCCI发动机，在转速为1000 r/min，进气压力为0.1 MPa，进气温度为460 K的运转参数下，过量空气系数分别为1.5、2和2.5时，燃烧过程中的缸内压力和温度变化曲线。由图可知，随着过量空气系数从1.5增至2.5，掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中缸内温度和压力最大值均有不同程度的降低，但着火时刻稍有提前。过量空气系数从1.5增至2.5的过程中，温度最大值降低了478 K，压力最大值降低了1.55 MPa。

图13 不同过量空气系数下缸内压力变化曲线

图14 不同过量空气系数下缸内温度变化曲线

图15是掺氢体积比为5%的掺氢天然气HCCI发动机在当前运转参数下，过量空气系数分别为1.5、2和2.5时的燃烧放热率变化曲线。过量空气系数的提高使掺氢天然气HCCI发动机燃烧放热率出现明显的降低。这是因为在保持每次缸内工质的总摩尔数为1不变的情况下，增大过量空气系数导致缸内工质的混合燃料比重降低，所以缸内混合燃料体积热值降低，燃烧放热也变低，缸内压力和温度也随之降低。

图15 不同过量空气系数下燃烧放热率变化曲线

图16是在当前运转参数下，过量空气系数分别为1.5、2和2.5时的NOx摩尔质量分数变化曲线。随着过量空气系数的增加，燃烧过程中生成的NOx摩尔分数明显降低。由于过量空气系数变大，即缸内空气质量变大，发动机气缸内工质的氮气摩尔分数也随之变大，致使混合燃料燃烧生成NOx的量变大，但真正起主导作用的是过量空气系数的增加使发动机气缸内的燃烧压力和温度大幅度降低，导致缸内混合燃料燃烧生成NOx的摩尔分数大大减少，所以结果表现为掺氢天然气混合燃料燃烧生成NOx的量大幅度降低。

图16 不同过量空气系数下NOx摩尔分数变化曲线

在掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中，增大过量空气系数，可有效降低NOx的排放，但会使发动机气缸内的温度、压力和燃烧放热率有所降低，同时着火时刻无明显变化。这体现出掺氢天然气HCCI发动机稀燃的优势，可以通过适当降低发动机动力性能来减少NOx的排放。

3.4 进气压力对燃烧特性的影响

图17和图18是掺氢体积比为5%的掺氢天然气HCCI发动机，在进气温度为460 K，转速为1000 r/min的运转参数下，进气压力分别为0.1 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa时，燃烧过程中的缸内压力和温度变化曲线。由图可知，随着进气压力的提高，掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中的缸内压力显著升高，着火时刻提前，但对发动机缸内温度影响较小。进气压力提高0.04 MPa，着火时刻提前了2.0°，缸内压力最大值提高了3.13 MPa。

图17 不同进气压力下缸内压力变化曲线

图18 不同进气压力下缸内温度变化曲线

图19是掺氢体积比为5%的掺氢天然气HCCI发动机在当前运转参数下，进气压力分别为0.1 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa时的燃烧放热率变化曲线。由图可知，随着进气压力的变大，燃烧放热率也在变大，这是由于发动机缸内压力增大的缘故。

图19 不同进气压力下燃烧放热率变化曲线

图20是在当前运转参数下，进气压力分别为0.1 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa时生成的NOx摩尔分数变化曲线。随着进气压力的增加，掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中生成的NOx摩尔分数增多。这是因为进气压力的变大导致发动机缸内温度略有增长，且NOx排放量受缸内温度和压力的影响较大，所以NOx排放量也有所增长。

在掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中，增大进气压力，致使发动机缸内压力和燃烧放热率明显提高，着火时刻提前，但对发动机缸内的温度影响较小；增大进气压力使生成NOx的量增多。

图20 不同进气压力下NOx摩尔分数变化曲线

3.5 进气温度对燃烧特性的影响

图21 不同进气温度下缸内压力变化曲线

图22 不同进气温度下缸内温度变化曲线

图21和图22是掺氢体积比为5%的掺氢天然气HCCI发动机，在转速为1000 r/min，进气压力为0.1 MPa，过量空气系数为2的运转参数下，进气温度分别为440 K、450 K和460 K时的燃烧过程中缸内压力和温度变化曲线。由图可知，随着进气温度的提高，掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中的缸内压力和缸内温度都有所提高，着火时刻提前。进气温度增加20 K，缸内温度最大值提高62.7 K，着火时刻提前7.0°。缸内压力随着进气温度的增加而升高的原因在于，进气温度的提高导致燃烧室内燃料的着火时刻提前，即燃料在活塞接近上止点时开始自燃，此时发动机燃烧室内的压力高。

图23是掺氢体积比为5%的掺氢天然气HCCI发动机在当前运转参数下，进气温度分别为440 K、450 K和460 K时的燃烧放热率变化曲线。由图可知，掺氢天然气HCCI发动机燃烧放热率随着进气温度的变大而升高。这是因为进气温度的增大使发动机缸内压力和温度升高，导致燃烧放热率增加。

图23 不同进气温度下燃烧放热率变化曲线

图24是在当前运转参数下，进气温度分别为440 K、450 K和460 K时的NOx摩尔分数变化曲线。由图可知，随着进气温度的升高，掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中生成的NOx摩尔分数增多。这是因为进气温度的增加导致HCCI发动机缸内温度升高，而NOx的生成主要受高温影响，所以NOx的排放量增多。

图24 不同进气温度下NOx摩尔分数变化曲线

在掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中，增大进气温度，会使发动机缸内压力和温度有所提高，燃烧放热率有所提升，着火时刻提前，但会导致生成NOx的量增多。改变进气温度对控制掺氢天然气HCCI发动机着火时刻具有积极意义。

3.6 主要基元化学反应对燃烧特性的影响

对CH4净生成速率影响较大的主要基元化学反应见表4。

表4 对CH4净生成速率影响较大的主要基元化学反应（k = A·Tb·exp(-E/RT )）

随着掺氢体积比的不断增加，天然气混合燃料化学反应中的自由基O和OH摩尔分数上升，CH4参与的R11和R98基元反应速率也在增加，加快了CH4的分解。因此，随着掺氢比例的增加，HCCI发动机缸内压力、缸内温度和放热率都在上升。

当转速不断增加，却只有活塞上行速度加快，便不能对CH4参与的基元反应产生较大的影响。因此，随着转速的提高，对HCCI发动机缸内压力、缸内温度和放热率影响较小。

过量空气系数值从1.5变化到2.5，致使掺氢天然气HCCI发动机缸内工质的组分也随之发生变化，为保持每次缸内工质的摩尔总数为1，CH4和H2的组分相应下降，导致CH4参与的基元反应总体减少，缸内压力、缸内温度和放热率都随着过量空气系数增加而减少。

随着进气压力的提高，单位体积内分子浓度增大，CH4参与的基元反应速率增加，但CH4的总体数量没变，总体化学能随进气压力不变，只是加速了CH4的分解。因此，进气压力的增大对缸内压力和放热率产生正比影响，对缸内温度影响较小。

进气温度的升高，反应活化分子数增加，有效碰撞增加，基元化学反应速率加快。因此，随着进气温度的增加，HCCI发动机缸内压力、缸内温度和放热率上升。

对H、O和OH净生成速率影响较大的主要基元化学反应见表5。

表5 对H、O和OH净生成速率影响较大的主要基元化学反应（k = A·Tb·exp(-E/RT )）

氢气的加入导致天然气混合燃料中的自由基H、O和OH的摩尔分数增加。自由基H、O和OH主要参与的R38、R84基元化学反应速率随着掺氢体积比的增大而增大。R84基元化学反应速率加快，使自由基H的摩尔分数增多，此后又加快了R38基元化学反应速率，致使自由基O和OH的摩尔分数增加。自由基O和OH的摩尔分数增加，加速了CH4主要基元化学反应。因此，随着掺氢比例的增加，HCCI发动机缸内压力、缸内温度和放热率上升。

而不同转速、过量空气系数、进气压力和进气温度对生成H、O和OH基元化学反应的影响与上文类似。

对NO和NO2净生成速率影响较大的主要基元化学反应见表6。

表6 对NO和NO2净生成速率影响较大的主要基元化学反应（k = A·Tb·exp(-E/RT )）

随着掺氢体积比的增大，生成NO的摩尔质量分数也随之增加。这是由于掺氢加快了发动机缸内天然气的燃烧，致使缸内的温度和压力峰值变高，而NO在氮氧化物的排放量中占主导地位，NO的生成受缸内温度影响较大，主要在高温高压的燃烧情况下生成。R179和R186基元化学反应速率随掺氢比的增加而增加，使生成NO摩尔分数的速度加快。R186基元化学反应是NO2的生成反应，也随掺氢比的增大而增大。

当转速不断增加，导致HCCI发动机的活塞上行速度加快，R179和R186基元化学反应时间相对减少，以至生成NOx的量相应较小幅度地减少。

随着过量空气系数的增加，发动机气缸内的燃烧压力和温度大幅度降低，致使缸内NOx基元化学反应减少。

进气压力和进气温度的增加，致使发动机缸内压力和温度升高，R179和R186基元化学反应速率随之增长，NOx排放增加。

4 结论

（1）在掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中，增加掺氢体积比，会使发动机缸内压力、缸内温度、燃烧放热率和燃烧生成NOx的量增高，着火时刻提前。

（2）增大转速对缸内的温度、压力和燃烧放热率基本无影响，但过大的转速会使着火时刻过于靠前；增大转速使掺氢天然气HCCI发动机燃烧生成NOx的量有所降低。

（3）增大过量空气系数，可以有效地降低NOx的排放，但会使发动机气缸内的温度、压力和燃烧放热率有所降低，不过着火时刻无明显变化。

（4）增大进气压力使发动机缸内压力和燃烧放热率明显提高，着火时刻提前，但对发动机缸内的温度影响较小；增大进气压力使掺氢天然气HCCI发动机生成NOx的量增多。

（5）增大进气温度，会使发动机缸内压力和温度有所提高，燃烧放热率有所提升，着火时刻提前；增大进气温度会使掺氢天然气HCCI发动机燃烧生成NOx的量增多。