（动力机械及工程专业论文）天然气掺氢hcci发动机燃烧与排放物的研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：塞垣翅日期：卫! ! ：苎：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：萎蛰睦爵师签名：凇佥登日期：迭坠羔，3 摘要 上世纪六十年代后，世界经历了3 次严重的石油危机。由此带来的全球环 境污染问题严重影响到各个国家的发展。能源特别是石油资源的严重匮乏、全 球环境的日益恶化成为了世界两大难题。为了解决此问题，新型发动机以及各 类汽车代用燃料的研究越来越引起广大学者的关注。天然气掺氢( h c n o ) 燃料， 是满足节能减排问题的车用气体替代燃料之一，也是实现从传统燃料汽车到氢 能汽车过渡的最具可行性方案。本文的工作主要是围绕天然气掺氢燃料发动机 的燃烧排放特性进行的。 本文首先对天然气掺氢燃料发动机的研究动态以及存在的相关问题进行了 综述。然后利用大型气相化学动力学软件c h e m k i n 对美国加州大学开发的 g r i ( g a sr e s e a r c hi n s t i u t t c ) 3 0 天然气( c n g ) 详细化学反应机理进行分析。在天然 气详细化学反应动力学机理上，参考已有的简化模型及方法，通过对天然气均 质压燃燃烧反应途径的分析，再结合敏感度分析法和反应速率分析法，构建天 然气燃烧简化机理。对比分析所构建的简化机理和详细机理的模拟结果，计算 结果显示，此简化模型对h c 、c o 、n o x 以及c h 2 0 排放物的变化历程有较为 准确的预测，可以用来代替详细模型进行计算分析。简化模型大大减少了计算 时间，并且为化学动力学模型与c f d 多维模型进行耦合提供了可行性。依据此 机理再加上本文中选用的氢氧燃烧机理，建立天然气掺氢燃烧反应模型。此模 型由上述两个机理中提取，其中化学反应速率常数未做出改变。 理论上推导出h c n g 燃料的质量掺氢比，h c n g 混合燃料中各组分的含量 计算，h c n g 混合气的热值计算以及h c n g 化学计量比的计算公式。利用计算 流体动力学软件f l u e n t 建立以z s l 9 5 发动机燃烧室为原型的三维计算模型， 并将此c f d 多维模型分别和天然气简化化学机理、天然气掺氢化学动力学模型 相耦合，对c n g 发动机以及h c n g 发动机h c c i 燃烧过程、排放特性进行模拟 分析。结果显示：在天然气中掺入氢气后，相对纯天然气而言，发动机缸内着 火时刻提前，温度峰值增加，燃烧更加充分，后燃减小，缸内压力峰值也随之 增加。随着掺氢比的增加，c o 和n o x ( 主要是n o ) 排放量增加，h c ( 主要是c h 4 ) 、 c h 2 0 排放量减小。 关键词：c n g ，h c n g ，h c c i ，简化模型，模拟计算 a b s t r a c t a f t e rt h es i x t i e so ft h el a s tc e n t u r y , t h ew o r l de x p e r i e n c e dt h r e et i m e s s e r i o u so i l c r i s i s t h eg l o b a le n v i r o n m e n t a lr e s u l t e df r o mt h ec r i s i ss e v e r e l ya f f e c t e dt h e d e v e l o p m e n to fc o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l d e n e r g y , e s p e c i a l l yf o rt h es e r i o u s s h o r t a g eo ft h eo i lr e s o u r c e sa n dt h ed e t e r i o r a t i n gg l o b a le n v i r o n m e n th a v eb e e n r e g a r d e da st h et w od i f f i c u l t i e sa r o u n dt h ew o r l d t os l o v et h ep r o b l e m s ，p e o p l ep a y m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho nc o m b u s t i o ni n n o v a t i v ee n g i n ea n d a l t e r n a t i v ef u e l s h y d r o g e ne n r i c h e dn a t u r a lg a si sn o to n l ya na l t e r n a t i v ef u e l m e e t i n gt h ed e m a n do fa u t o m o b i l ed e v e l o p i n g s a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n g e m i s s i o n ”，b u ta l s oa c ta sf e a s i b l ew a yt ot r a n s f o r mv e h i c l er u l ef r o mc o n v e n t i o n a l f u e lt oh y d r o g e ng a s g o o dc o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh c n g e n g i n e a r et h ef o c u so ft h i st h e s i s f i r s t l yt h i s t h e s i ss u m m a r i z e st h er e s e a r c h t r e n d s ，e x i s t e n tp r o b l e m so f h y d r o g e ne n r i c h e dn a t u g a lg a se n g i n e s a c c o r d i n gt ot h eg a sr e s e a r c hi n s t i u t t e3 0 n a t u r a l g a sd e t a i l e dc h e m i c a lk i n e t i c m e c h a n i s mo fm e t h a n ep r o p o s e db yt h e u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a , t h i sp a p e ra n a l y z e st h en a t u r a lg a sd e t a i l e dc h e m i c a lk i n e t i c m e c h a n i s mb yc h e m k i n b a s e do nt h ed e t a i l e dc h e m i c a lk i n e t i c sm e c h a n i s ma n d e x i s t i n gs i m p l i f i e dm o d e l ，an e wm e t h a n es i m p l i f i e dc h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s mi s p r e s e n t e db ys e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dr a t eo fp r o d u c t i o na n a l y s i s a n dt h e nt h e c o m p a r a t i v es t u d i e sw e r eg i v e nb e t w e e nt h es i m p l i f i e dm o d e la n dt h ed e t a i l e d m o d e l 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es i m p l i f i e dm o d e lc a nb eu s e di np l a c eo f t h ed e t a i l e dm o d e l i ta l s oc a np r e d i c tt h ev a r i a t i o n a lc o u r s e so fu n r e g u l a t e d e m i s s i o n ss u c ha sf o r m a l d e h y d e ，c o ，n oa n dh ce m i s s i o n 啊1 en e ws i m p l i f i e d c h e m i c a lk i n e t i cm o d e ls a v em o r et i m ef o rc a l c u l a t i n g ，w h i c hp r o v i d e saf e a s i b l ew a y f o rt h es i m u l a t i o no ft h ec h e m i c a lk i n e t i c sm o d e lc o u p l e dw i t ht h ec f d m u l t i d i m e n s i o n a lm o d e l 1 1 1 ep a p e rp l u sh y d r o g e nc o m b u s t i o nm e c h a n i s mb a s e do n t h en e wm e t h a n es i m p l i f i e dm e c h a n i s m , t h e nt h i st h e s i sb u i l d sh c n gc o m b u s t i o n r e a c t i o nm o d e l 1 1 1 em o d e li se x t r a c t e df r o mt h ea b o v et w om e c h a n i s m st h a tt h e c h e m i c a lr e a c t i o nr a t ec o n s t a n ti s n tm a d e c h a n g e s i nt h e o r e t i c a lp a r to ft h ep a p e r , t h ee q u a t i o n sa r ec a r r i e do u tf o r c o m p u t i n g h 2 c n gr a t i oi nm a s s ，s t o i c h i o m e t r i cr a t i o ，h e a tv a l u eo ff u e l a i rm i x t u r eo nv a r i o u s h 2f r a c t i o n si nv o l u m ea n dt h ec o n t e n to fe a c hc o m p o n e n to fh c n gm i x t u r e 啦s p a p e rb u i l d sac o m b u s t i o nc h a m b e rt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lm a d eb yz s19 5d i e s e l e n g i n e w i t ht h ec n ga n dh c n gr e d u c e dm o d e lc o u p l i n gw i t ht h ec f ds o f t w a r e f l u e n t t h e ni tc a l c u l a t e st h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a l g a sa n dh y d r o g e ne n r i c h e dn a t u r a lg a sh c c ie n g i n e c o m p a r e d 谢mc n gi t 啪b e s e e nt h a t 嬲t h eh y d r o g e nf r a c t i o n si n c r e a s e d , t h et e m p e r a t u r ep e a kg r o wu p ，t h e c o m b u s t i o ns t a b i l i z e ，t h ed u r a t i o nd e c r e a s e ，a n de m i s s i o nt e m p e r a t u r ed r o pd o w n , a s t h ec y l i n d e rp r e s s u r ep e a kg r o wu pc o r r e s p o n d i n g l y w i t hi n c r e a s i n gt h eh y d r o g e n b l e n dr a t i o ，t h en 0 x ( m a i n l yn o ) a n dc oe m i s s i o n si n c r e a s e ，a n dh c ( m e t h a n e ) 、 c h 2 0e m i s s i o nd e c r e a s e sr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：c n gh c n g , h c c i ，s i m p l i f i e dm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论一1 1 1 开发发动机替代燃料的必要性1 1 2 天然气掺氢燃料2 1 2 1 天燃气燃料介绍一3 1 2 2 氢气简介4 1 2 3 天然气掺氢燃料优势一4 1 3 国内外天然气掺氢燃料近期研究动态5 1 4h c c i 发动机数值模拟研究7 1 4 1 单区模型8 1 4 2 多区模型8 1 4 3 多维模型一9 1 5 本论文主要研究内容1 1 第2 章天然气掺氢简化化学反应动力学模型1 3 2 1c h e m k i n 软件介绍l3 2 1 1 均质零维反应器模型1 4 2 1 2 模型基本控制方程1 5 2 1 3 发动机气缸几何模型相关方程1 6 2 1 4i c 发动机模型传热方程18 2 1 天然气化学动力学简化模型的建立1 9 2 2 1 构建简化动力学模型的方法1 9 2 2 2 主要反应组分的确定2 2 2 2 3 确定主要反应路径2 4 2 3 天然气简化模型的验证3 2 2 3 1 天然气简化模型与详细模型的对比3 2 2 3 2 不同初始参数对简化模型的影响3 5 2 3 天然气掺氢燃烧化学反应机理4 0 2 5 本章小结4 1 第3 章天然气h c c i 发动机工作过程模拟一4 2 3 1 模拟软件简介4 2 3 1 1f l u e n t 软件简介4 2 3 1 2 控制方程及物理模型4 3 3 1 3 求解技术4 7 3 2 建立发动机模型4 9 3 2 1 网格的生成4 9 3 2 2 计算模型的设置5 0 3 2 - 3 活塞动网格设置5 0 3 2 4 边界条件和初始条件5 l 3 3 模拟计算及结果分析5 2 3 3 1 缸内温度和压力对比5 2 3 3 2 燃烧过程分析5 3 3 3 3 燃烧排放物分析5 4 3 4 本章小结5 8 第4 章天然气掺氢均质压燃燃烧排放特性5 9 4 1 混合气燃料掺氢比相关计算5 9 4 1 1 天然气掺氢燃料质量掺氢比计算5 9 4 1 2 天然气掺氢化学计量比计算6 0 4 1 3 天然气掺氢混合气热值计算6 1 4 1 4 天然气掺氢燃料中各组分含量计算6 2 4 2 天然气掺氢h c c i 发动机模拟计算6 3 4 2 1 缸内温度和压力对比6 3 4 2 2 燃烧排放特性对比分析6 4 4 3 本章小结6 7 第5 章全文总结和展望6 9 5 1 全文总结6 9 5 2 工作展望7 0 参考文献7 1 致谢7 5 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文7 6 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 开发发动机替代燃料的必要性 近年来，随着社会经济的发展，我国汽车消费迎来了迅速扩张期，汽车销 量不断上升，据公安部交管局日前发布的数据显示，目前我国机动车保有量已 达1 9 9 亿辆，其中汽车8 5 0 0 多万辆。中国汽车工业协会2 0 0 9 年l o 月1 2 日所 发布的数据表明，9 月份我国汽车产销均超过1 5 0 万辆，按照这个产销速度来计 算，我国机动车保有量在这个月大有超过2 亿大关的趋势。2 0 1 0 年前9 个月， 我国汽车产销量已经突破1 3 0 0 万辆，几乎达到2 0 0 9 年整年的产销量。该协会 预测，中国即将成为实至名归的世界汽车第一大国，今年我国策划出售量即将 超过1 7 0 0 万辆。这也就说明购买新车的人数将达到美国历史最高购买量。一方 面，我们为我国汽车工业的迅速发展而感到欢喜雀跃，与此同时，在感慨这些 成绩时，我国自然环境的破坏越来越严重，能源资源也越来越贫乏。 2 0 世纪6 0 年代以来，人类经历了3 次严重的石油危机，世界各国深刻意识 到不可再生能源的逐渐衰竭与需求快速增大这二者之间存在的矛盾。特别是 2 0 0 8 年全球爆发了严重的金融危机之后，以欧美各国为首的世界组织都在积极 探寻新的技术突破来实现经济新的增长。几股合力交织下，研究发现，采用新 技术来解决消耗石油最严重的汽车领域所存在的技术难点，能够一石三鸟的解 决所有存在的问题。在各类科技会议开幕式致发言辞时，各国专家、汽车工业 领头人都以能源资源、自然环境问题作为主题，这说明寻求新的汽车替代燃料 是广大汽车人的迫切需要。 石油的使用有着悠久的历史，从原始人薪柴燃火到煤炭的使用叩响人类工 业革命的大门，石油已然成为了世界上最为宝贵的自然资源。但是，人类为了 工业的发展，长时间的低成本开采利用石油等一些化石资源，严重破坏了人类 赖以生存的自然环境。由于人类在工业发展的过程中，大量燃烧化石能源，造 成城市空气质量直线下降，可见度越来越差，城市蓝天现象越来越少，并且对 人们的健康带来很大危害。据资料显示，二氧化碳气体9 0 是燃烧石油等化石 能源产生的。二氧化碳等气体导致温室效应，气候逐年变暖，造成冰川融化， 海平面上升，频繁的飓风、洪水、干旱等其他自然灾害，给人类带来生命危险 武汉理工大学硕士学位论文 及巨大的经济损失。由此可见，人类在开采石油发展工业和社会经济的同时也 自食恶果，石油从促使经济增长的积极因素逐渐变成造成经济衰落的诱因。随 着工业生产中所消耗石油量逐年增大，可用于开采的油田正慢慢减少，人类不 得不去极地、深海这些开采难度高的地方探寻能源，甚至花费更高的代价开采 深海石油、油砂、油页岩等非常规能源资源。工业社会面临的最为严重的危机 之一就是石油等化石资源的日渐贫瘠。很明显，我们只有对能源经济做出彻底 改变，才能根除上述问题。 鉴于世界油价持续升高，加上石油能源的供应紧张，因此各国都在积极寻 找适合的汽车替代燃料。2 0 1 0 年，我国原油进口高达5 6 ，而同时，我国地处 西部的长庆及塔里木油田的天然气开采却传来好消息，油田的天然气产量持续 高升。这样，我国天然气的供应保持在持续稳定的增长水平，我国以天然气作 为传统汽车替代燃料成为可能。 近几年，作为传统汽车替代燃料的有压缩天然气c n g ( 主要成分甲烷c h 4 ) 、 液化气、氢气、乙醇汽油等。我们是否能广泛运用压缩天然气燃料，主要原因 有4 点：第一，汽车结构与设计的改造能否运用天然气燃料；第二，国内外天 然气的开采和利用程度；第三，用天然气作为汽车能源，在生产上所花费的代 价和石油相比的优越性；第四，开采使用天然气，在技术上的熟练程度。实际 上，面对可以用来节能减排的众多燃料，我们如何作出最佳选择。针对世界各 国签署的各种环保条约和更加严格的排放法规，哪种替代燃料技术效果明显优 越、更切实可行呢? 许多学者给出了不同的实施方案，其中美国城市引擎( c 畸 e n g i n e s ) 公司的h c n g 技术，即天然气掺氢技术( h y d r o g e ne n r i c h e dn a t u r a lg a s t e c h n o l o g y ) ，受到了研究者的高度关注，这种混合燃料对未来很长一段时间内 全球汽车行业的发展有深远意义。 1 2 天然气掺氢燃料 天然气掺氢( h c n g ) ，又称为h y t h a n e 氢烷，是将h 2 通过一定的比例掺入 c n g 中，两种气体燃料混合后得到的汽车代用燃料【1 1 。这种混合燃料有着优异 的燃烧特性，氢烷不但有h 2 可燃界限宽，燃烧迅速，是一种可再生燃料的优势， 而且含有c n g 体积热值高( 和h 2 对比) ，存量非常广泛，较低排放等特征，大众 普遍认为氢烷是良好的汽车代用燃料。 2 武汉理工大学硕士学位论文 下表1 1 分别是是甲烷( o h 4 ) 与氢气 ) 的物性参数。从表l l 中我们可以看 出，天然气和氢气的部分燃料特性是相似的，h c n g 是h 2 与c n g 混合而成的 气体燃料，只有减小这两种燃料特性中的不利因素，发扬其优势，才能真正作 为清洁型车用替代燃料。所以，目前最重要的工作是研究各种不同比例的h c n g 燃料燃烧特性来最大程度的满足汽车的动力性、经济性和环保性能的要求【2 】。 表1 1 甲烷和氢气主要理化特性网 燃料甲烷氢气 密度( 标准条件v ) k g m 3 0 7 1 40 0 8 8 9 空气中可燃界限( 体积) 5 1 54 7 5 空气中可燃界限( 相对化学计量比) 0 4 & - - - 1 6 40 0 6 81 2 7 最小点火能量m j0 20 0 2 着火温度( 化学计量比) k 9 1 88 5 8 绝热火焰温度( 空气中，化学计量比) k 2 1 4 82 3 1 8 燃烧速度e m s3 72 7 0 低热值m j k g 5 0 0 51 2 0 低热值m j m 33 5 3 71 0 8 0 5 辛烷值 1 0 7 5 1 3 0 理论空燃比( 体积) m 3 o 9 5 32 3 8 最小淬熄距离c m0 20 0 6 1 2 1 天燃气燃料介绍 我国是天然气储存非常丰富的国家【4 】，据2 0 0 2 年相关文件显示：我国已探 明的常规天然气可用5 0 年，大于石油储量( 仅够开采2 0 年) 。另外，美国预测我 国页岩缝隙中存在的天然气有1 0 0 万亿m 3 ，是常规天然气的5 o l 倍。用c n g c ：天 然气) 作为发动机替代燃料，主要优点是：第一，c n g 燃料使用范围广泛，有极 3 武汉理工大学硕士学位论文 好的发展前景。采用汽车新技术后，c n g 汽车的经济性以及动力性均优于传统 燃料汽车；第二，c n g 燃料是一种清洁能源，它在常温下处于气态，在气缸中 和空气混合均匀，燃烧完全，和传统汽油机相比，h c 排放减少7 0 ，c o 排放 降低7 0 ，n o x 排放也大大降低，p m 排放几乎为零【5 】；第三，c n g 密度小于 空气，发生泄漏情况时很快扩散到空气中，在c n g 燃料供给系统上有一系列的 安全装置。而且，还增加了一些连接器、压力容器等特殊装置来确保c n g 汽车 的安全性。 1 2 2 氢气简介 氢在地球上储量丰富，都是以化合物的方式储存下来的。其中所占比例最 大的是水，然后是甲烷。水经过间接或者直接加热后都会生成氢。在各种化学 工业中，很多地方都会使用氢，以后氢也将越来越多的用到其他行业的发展上。 例如，家庭使用，工厂用氢，或者用来发电供给汽车使用等。另外，使用氢作 为能源，有一个最大的优势，不管使用氢做怎样的用途，发电也好，燃烧也罢， 最后氢都会和氧气化合生成水。可以说，氢是无污染的二次能源。氢的几个主 要特点如下：1 、氢的存储密度小。2 、氢来源广泛，只要有水就可以。3 、氢从 水中来，最后又生成水，给氢提供能量，放出能量又变成水。 1 2 3 天然气掺氢燃料优势 基于上述天然气和氢气的理化特性，天然气掺氢后对发动机的燃烧状况有 明显的改善，主要作用体现在以下几个方面 6 1 。 ( 1 ) h 2 具有很低的点火能量，在c n g 中加入h 2 后，可以避免安装高能点火 系统。 ( 2 ) 就燃烧速度而言，h 2 是c n g 的8 倍，当c n g 中掺入h 2 后，混合气的 燃烧速度提高了。与此同时，点火更加接近活塞上止点，可以使压缩负功降低， 燃烧等容度以及循环热效率将会升高。 ( 3 ) h 2 的体积能量密度很低，在c n g 中掺加一定比例的h 2 ，其体积热值会 增加。理论上讲，燃料的低热值会随着h c n g 混和气中h 2 体积比例的增加而降 低。事实上，当空燃比在较稀的情况下，掺入h 2 后，燃料和空气混合后的体积 热值有所增加。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) h 2 在空气中的可燃混合界限宽，稀薄燃烧极限为0 0 6 8 ( 相对空燃比) ，淬 熄距离小，才占c n g 的3 0 。加入少量8 2 后h c n g 混合气的可燃混合比例放 大，实现稀薄燃烧，从而发动机负荷调节方式变成具有较高热效率的质调节。 ( 5 ) 在c n g 中加入h 2 后，h c n g 中的h c 比随着氢气比例的增加而提高， 这对发动机缸内混合气燃烧后产生的含碳污染物的排放起到了抑制作用。 ( 6 ) 在燃空当量比和点火提前角固定的情况下，h c n g 中随着掺氢比的增 加，c h 2 0 、c h 4 和总碳氢的排放量降低，n o x 和c o 排放量增加。 1 3 国内外天然气掺氢燃料近期研究动态 n a g a l i n g a m 等人最先在a v l 单缸机上分别对掺氢比为o 、2 0 、5 0 以及 1 0 0 的h c n g 燃料燃烧进行了研究。试验表明，纯氢燃料发动机最大功率比纯 甲烷为燃料时减少了2 3 ，掺氢2 0 时的最佳提前角约为3 6 。b t d c ，比纯甲 烷燃烧时推后了4 度。点火提前角推后使火焰温度下降，可减小n o x 排放r 刀。 1 9 9 0 年y u s u f 等人用尼桑公司的5 1 0 型2 o 升的四缸发动机做了关于掺氢比 为2 0 的h c n g 混合气的燃空当量比和稀燃极限的研究和实验【8 】。结论显示： h c n g 燃料的燃空当量比从纯甲烷时的0 7 7 5 减少到0 6 0 时，可以得到最佳循 环热效率。1 9 9 3 年，他们又在丰田公司的一款机型上对相同的混合气就其中的 一个气缸做了研究1 9 】。结果显示：h c n g 在低负荷燃烧时，与纯甲烷相比，n o x 排放提高了，未燃h c 和c o 排放减少了，天然气的稀燃极限从燃空比0 6 1 减 d , n0 5 4 。 1 9 9 4 年h o e k s t r a 等人用点燃式发动机对掺氢比0 、1 1 、2 0 、2 8 以及 3 6 的混合气进行了空燃比和排放之间关系的实验，并且测试了n o x 和h c 的 排放情况【l o 1 1 】。发动机功率为1 7 马力，转速1 7 0 0 r m i n 。实验结果表明，过量空 气系数减小，h c 排放减小，n o x 排放增多。在过量空气系数1 6 ，掺氢比2 8 以及3 6 的情况下，混合气的n o x 排放非常低。 2 0 0 0 年s i e r e n s 和r o s s e e l 等人在c r u s a d e rt 7 4 0 0 的v 8 发动机上对掺氢比0 、 1 0 、2 0 的h c n g 混合气的燃烧排放特性进行了实验【l 羽。同时，研究出了一 种可以实现供给不同掺氢比的燃料供给系统。实验结果表明：h c 和n o x 排放特 征是相反的，要实现低排放，只有采用掺氢比较低的h c n g 混合气，如果想实 现超低排放，就需要对排放尾气进行后处理。 5 武汉理工大学硕士学位论文 康明斯一西港公司在c u m m i n sl - 1 02 4 0 g 发动机上对掺氢1 5 ，2 0 、3 0 的h c n g 燃料的排放性能进行了研究【1 3 1 。从图1 1 中可以看出，掺氢2 0 时， n o x 排放最低；此时随着掺氢比的增加，n o x 排放增加。主要原因有两点：第 一，掺氢比增加，燃料燃烧充分完全，燃烧温度增加；第二，掺氢增大了燃烧 稀限，使燃烧更稀更冷。所以，适合的掺氢比在很大程度上影响着燃料的燃烧 排放特性。由下图可以看出，随掺氢比的变化，n m h c 排放变化不大。 0 1 5 2 0 3 0 图1 1h c n g 体积掺氢比 美国加利福尼亚大学的马歇尔米勒博士对天然气掺氢技术有着较为深入 的研究。博士介绍，电动车虽然在排放上有着无与伦比的优势，然而制造所花 费代价太大，每次充完电后可以行驶的距离较短，并且充电需要的时间过久， 另外，这种技术并不够完善；据研究，柴油机无法直接改良到氢燃料或者燃料 电池的技术上；同样，汽油混合动力方案也无法直接过渡到氢燃料或者燃料电 池的技术上，只能作为中间过渡技术，另外，采用此技术要求增加与之相适应 的结构，所花费代价较高；燃用天然气燃料的汽车虽然符合未来的交通法规， 但是燃料燃烧时产生较高的热量，对发动机和催化器造成一定损坏，因此在行 驶的过程中需多次更换催化剂，给行驶过程带来困扰；采用氢燃料技术也面临 花费代价大的问题，而且燃料本身费用也比天然气掺氢混合燃料多，并且使用 此技术时需要对维修人员再次培训。 6 一卫n【v籁一再uli譬昌台杼】【o盔 武汉理工大学硕士学位论文 据相关实验和运用显示，燃用天然气掺氢的车辆排放水平可以达到相当于 欧v 甚至以上水平，天然气掺氢技术在未来是解决城市用公交车排放的有力技 术。在使用天然气掺氢技术时，只要求在原来发动机结构上做少量变动，所花 费的代价稍微高于目前所用的的商用柴油机，仍然能够使用以前的天然气加气 设备，而且不需要对维修人员进行再次学习培训。 印度汽车研究协会( a u t o m o t i v er e s e a r c ha s s o c i a t i o no fi n d i a ，a ra d 于2 0 10 年8 月5 日宣布，在其动力传动工程0 t e ) 实验室开发出新的四缸式氢气一压缩天 然气发动机，可用以支持使用h c n g 掺氢比为18 的混合气。 氢气压缩天然气( i - i c n c ) 发动机对轻型商业化汽车使用该技术具有浓厚兴 趣。由a r a i 开发的氢气压缩天然气( h c n g ) 发动机可减少二氧化氮和其他污染 物的排放。 发动机的燃料经济性和输出功率优于压缩天然气( c n g ) 。当与c n g 相比时， h c n g 混配物2 0 比例可使排放的一氧化碳减少4 0 5 0 、非甲烷碳氢化合物 减少2 5 乡扣3 0 、二氧化氮减少4 5 5 0 、二氧化碳排放减少7 1 0 。 国内一些学者也对天然气掺氢的研究做了很多工作。清华大学汽车系的马 凡华、李勇等在东风e q d 2 1 0 - - 2 0 发动机上采用不同的掺氢比来进行发动机排 放以及空燃比特性试验。选择了两种发动机的工况作为研究对象，分别是： 5 4 k w 1 6 0 0 r m i n - 1 的中小负荷和1 0 0 k w 2 4 0 0 r m i n - 1 的高速大负荷。实验结 果表明：燃用掺氢2 0 的混合气中小负荷时n o x 排放最低，燃用掺氢1 0 的混 合气高速大负荷工况下n o x 排放最低。西安交通大学的黄佐华，曾科等人选用 直喷式火花点火发动机进行试验，研究掺氢比不同时混合气燃料不同点火提前 角和不同喷射时刻情况下的燃烧排放特性。研究结果显示：中低负荷时，随着 掺氢比增加，发动机热效率提高，h c 和c 0 2 排放减少，n o x 排放增加。 1 4 均质压燃( h c ci ) 发动机数值模拟研究 作为实验手段的一个重要补充，在先进计算机技术及相关理论的基础上发 展起来的燃烧数值模拟正起着越来越重要的作用。传统发动机数值模拟主要研 究燃烧模型和湍流混合，h c c i 发动机的研究重点是不同燃料的化学反应机理及 化学动力学模型，本文第二章将主要介绍相关燃料的燃烧化学机理。通过h c c i 发动机的数值模拟，人们了解了不同燃料h c c i 发动机着火详情，分析各种参数 7 武汉理工大学硕士学位论文 对h c c i 着火和燃烧的影响。这些年以来，关于燃料燃烧反应机理和化学动力学 模型的探究，各国研究者先后提出了总包机理、骨架机理、详细化学反应机理 等大量可以实现模拟h c c i 燃烧的化学动力学模型。目前为止，在h c c i 计算模 型方面，可以分为以下三种模型：单区模型、多区模型和多维c f d 模型【1 4 1 。 1 4 1 单区模型 由于详细模型过于复杂，计算量过大和计算中的刚性问题，使得在当前 的计算机资源条件下，详细反应机理与发动机的c f d 多维模型的耦合还存在 相当的难度。到目前为止，进行h c c i 数值模拟研究时，一大部分都是以零维 单区和双区模型为基础展开的。进行反应动力学计算时都采用商业软件如 s a n d i a 实验室所开发的c h e m k i n 和l a w r e n c el i v e r m o r e 实验室的h c t 。 零维模型又称热力学模型，气缸壁传热不予考虑，在某些研究中也会用 w o s c h n i 经验公式考虑壁面传热损失。因为h c c i 是均质分布燃烧，所以用零 维模型来计算比较准确。但是，因为单区模型对燃烧室进行了极为简化的处 理，气缸内的混合气情况只随时间改变，与实际缸内混合气情况有很大出入， 所以它不能很好的预测燃烧持续期和燃烧效率，并且对c o 和h c 的排放计算 不够准确。 1 4 2 多区模型 因为发动机气缸中混合气处于非均匀状态，所以广大学者通常选择一种 既能考虑模型的预测能力，又无需花费较高计算成本的处理方式即分区处理， 就是多区模型。 目前所采用的多区模型一般小于1 0 个区。如图1 2 所示的多区模型有4 个区域，自燃烧室向外分别是核心区、外区、边界层区、狭缝区。核心区对 外没有传热，属于绝热区，并且与外区没有质量交换；外区直接连接在燃烧 室壁面上，是边界层区；隙缝区所占据的体积小，但是长期在低温情况下， 它直接影响缸内传热及排放，为了保持压力相同，这三个区域之间存在质量 混合交换。为便于更加正确预测u h c 和c o 的排放，还可以将缝隙区继续进 行分划成更多个区域【1 4 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 姗 l 鳓 i 瓢瞻 嘲 枷 参 孙- 、 j 瓤 z 啪n z 一口趔飞 。嗣彭。 、, o n 。心 彩 ， 入 z 黼l 、 z i l 蕊o ，3 砷棚4 4 0 c a d 图1 2 六区模型分区示意图及各区模拟温度 文献 1 5 】和 1 6 】中根据多区模型对h c c i 发动机的燃烧和排放情况进行模 拟计算，结果显示：多区模型对均质压燃发动机的燃烧性能和排放有较好的 预测。但是多区模型仍然存在不足之处，所以它对h c 和c o 排放的预测并不 太准确。 1 4 3 多维模型 在采用多维模型进行模拟计算的过程中，虽然多区模型对发动机缸内工 质非均匀性的情况加以考虑，但是它并没有考虑气体的运动过程，因此多区 模型不能用来描述和模拟诸如湍流混合作用对燃烧的影响以及燃烧室内火焰 传播情况之类的对燃烧过程起重要作用的过程。为了解决此类问题，通常采 用c f d 耦合详细化学反应机理而成的多维模型【1 7 l 。但是详细化学机理反应过 程比较繁杂，在计算的过程中存在计算量大和计算刚性问题。在2 0 0 0 年以后， h c c i 多维模型的发展开始起步，但前景良好。h c c i 多维模型在进行模拟分 析的工作中，其研究重点不是和燃烧过程相关的新的反应子模型，而是耦合 现有的内燃机的多维模型和各种详细化学反应动力学机理，从而更进一步的 研究内燃机均质压燃烧过程及燃烧机理，探究更加切实有效的控制方法来优 化内燃机的动力性、经济性和排放性能。 关于均质压燃多维数值模拟计算，美国w i s c o n s i n 大学已经有了许多首创 性成果 i s , 1 9 。文献【1 8 】种提到了多维c f d 模型与详细化学反应机理首次进行 耦合计算的情况。他们耦合c h e m k i n 程序与k i v a 3 v 进行燃烧模拟计算， 9 g叠墓墨量-卜 武汉理工大学硕士学位论文 分别以天然气、异辛烷和正庚烷为燃料。模拟显示，h c c i 的燃烧情况是燃烧 室内多点同时在较大空间内产生着火，并且缸内湍流现象和燃料化学动力学 机理对燃烧速率有很大影响。模拟结果如下图1 3 。 a ) 3 3 。c a ( b t d c ) 时的燃油分布 k 9 k c ) 19 。c a ( b t d c ) 时的温度分布 锻， b ) 2 7 。c a ( b t d c ) 时的当量比分布 ，辨一1 3 0 0 k t , 黝cl t o o k d ) 1 。c a ( b t d c ) 时的温度分布 图1 3k i v a 3 v + c h e m k i n 计算结果 关于燃烧室几何结构对湍流特性，进而对均质压燃燃烧过程带来的影响， 文献 2 0 】中利用多维模型进行了更深层次的研究。结果显示：发动机缸内湍流 很大程度上影响均质压燃燃烧性能。但是它是通过影响缸内壁面传热来对混 合气温度带来改变，间接影响h c c i 燃烧情况，这一点和传统发动机有所不同。 针对藕合后产生的的计算量过大的问题，我们可以选择二者不进行完全 耦合的折中办法，将详细化学机理和多维模型按照时间顺序进行“串联【2 l 】。 关于h c c i 数值模拟的模型研究，除了上面所讲的耦合