《在富氢混合燃料下运行的均质压燃发动机燃烧和污染物的形成的建模研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《在富氢混合燃料下运行的均质压燃发动机燃烧和污染物的形成的建模研究（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、HCCI 发动机燃用富氢混合燃料的燃烧和污染物形成 的模拟研究V.E. Kozlova , I.V. Chechet , S.G. Matveev , N.S. Titova , A.M. Starik（航空发动机中央学院，科学教育中心“物理和化学动力学和燃烧”,莫斯科111116；俄罗斯萨马拉国立航空航天大学,萨马拉 443086,俄罗斯摘要综合分析基于详细反应机理的 CFD 模型对燃用替代燃料的 HCCI 发动机燃烧和排放特性进行仿真，替代燃料包括甲烷、合成气、甲烷/氢以及甲烷/合成气的混合物。结果表明均质压燃情况下，相比于甲烷，混合了 50%大容量 H2的甲烷/氢的混合物能在提高输出能量
2、同时降低 NO 和 CO 的排放。使用甲烷/合成气的混合燃料能改善 HCCI 性能，减少污染物排放，包括 CO2的排放。版权2015，氢能杂志，LLC.由 Elsevier 有限公司出版，版权所有关键词富氢混合燃料 HCCI 燃烧 排放 数字模拟引言当今，大量的兴趣投入到用于各种各样的交通运输系统发动机的可替代能源的使用的潜力分析上1-3。不同的可替代能源如氢气、天然气、丙烷/丁烷混合物、生物燃料（乙醇，二甲基，乙醚，生物柴油）等等都被认为可应用于实际。在这些燃料中，富氢混合燃料及由氢、一氧化碳组成的合成气引起了特别的注意。众所周知，与碳氢化合物相比氢具有非常好的氧化性且与可被用于各种不同系统
3、的天然气经常作为内燃机和汽轮机的燃料。氢的燃烧速度很快且其可燃性范围很广。甲烷和其他碳氢化合物如乙烷、丙烷、正庚烷、异辛烷和正癸烷等含氢的混合燃料能从以下几方面显著提高碳氢化合物的燃烧特性：在有效温度区间减少点火延迟时间4-9，扩大可燃性范围10，提高层流和湍流燃烧的功率11-15并且提高火焰稳定性13,16。碳氢化合物中氢的添加同样能减少有害气体的排放，如CO、CO2、NOX和未燃 HC 以及微粒物10,14,17-19。在碳氢化合物中添加合成气对其燃烧特性的影响并没有以一种详细的方式去调查。但是异辛烷/合成气/空气混合物的点火特性的改变被认为是异辛烷和氢气相互化学作用的结果8，而添加的 C
4、O 则起微不足道的作用。过去的几年里，内燃机中氢和碳氢化合物的混合燃烧已经被广泛地研究了20-34。结果显示添加 H2能从本质上改善内燃机的运行：提高燃烧速率，降低循环波动率，延长精益燃烧极限以及提高发动机稀燃能力21,23,25-28,32-37。此外，在内燃机中燃烧氢和碳氢化合物的混合物能形成 CO、HC 和烟尘的低排放25-28,32-37。在 NOX的排放方面，点火正时及低负荷EGR 率是降低其排放的最理想的组合21,25,26,32,33。同样地，极少地注意被集中到使用碳氢化合物和合成气的混合燃料的内燃机的运行和排放的分析中。实验表明在氢燃料中添加合成气能够改善热效率及缩短燃烧持续期
5、。此外，HC 排放随着合成气在混合燃料中体积分数的增加逐渐降低，但是 CO 的排放却增加了。一旦使用由合成气充实过的混合燃料，那么 NOX的排放改变则取决于引擎操作制度。在内燃机中，能够预混合均匀燃料与空气的压燃装置即均质压燃发动机现在被认为是最有前途的发动机。这种发动机中的点火装置被认为是混合空气动力学链式原理的发展，并且燃烧发生在整个气缸的工作容积没有出现火焰的前面。HCCI 发动机相比火花点火和柴油机等传统的内燃机具有改善排放特性的特征。所以,他们产生少量的 NO 和 CO,几乎没有烟尘颗粒燃烧废气产生。然而，HCCI 发动机有一些缺点。他们能确保在相当有限的运行范围内能稳定运行且与传统
6、内燃机相比产生更少的输出能量。此外，在低负荷 regime，这种发动机产生大量的 CO 和未燃HC。富氢燃料的使用能帮助克服这些缺点。HCCI 燃烧中添加氢的作用已经在别处被研究过了。加氢或重整气被证明取决于燃料的辛烷值（重整气是在原烃重整时由氢气、CO 和一些稀释剂如 CO2，H2O 和 HC 等构成的）。对于低辛烷值的燃料（例如正庚烷）添加 RG 延迟燃烧定相，而对于高辛烷值的燃料，RG 添加剂的影响取决于进气温度。研究结果同样显示基本燃料中 RG 浓度的增加能导致 NOX的排放增加和 HC 及 CO 的排放减少。作为燃料最合适的碳氢化合物是甲烷，因为它碳排放方面的更清洁燃烧。甲烷和天然气
7、的混合气（大多数由甲烷组成）有一个很好的辛烷值，因此需要相当高的起燃温度。在 HCCI 内燃机中，这种程度的温度能够通过预热充电或提高燃烧比例来获得。在以天然气为燃料的 HCCI燃烧中添加氢气的影响在 Refs 中已被调查过。因此，Yap 等人表明氢的添加加强了燃烧以及提前了燃烧起始点。这使得降低供给自燃的进气温度的价值成为可能，尤其是在低负荷时。Yap等人还证明了在 HCCI 燃烧中低 NOX 排放及快速的热量释放在添加氢的基础上存在。当 RG 作为添加剂时，以天然气为燃料的 HCCI 燃烧的影响已被观察过。同时，数字仿真显示 RG 添加剂的影响比单纯的稀释液或 RG 混合物引起的热作用更强
8、烈。化学作用的强度依赖于 RG 中 H2 的容量。结果显示当 RG 中氢气的体积分数低于 10%时，燃烧起始时添加的 RG 能产生有效影响。然而，在 H2含量达到饱和水平后，CO 体积分数的上升能显著改变燃烧起始点。Hosseini 和Checkel46总结出 RG 添加剂对甲烷或天然气的实用性和有效性取决于 RG 的组成成分，生产的 RG 在当地燃料处理器使用相同的 基本燃料引擎。这篇论文的总体目标是对经典 HCCI 引擎能量和排放特性的比较分析。经典 HCCI 引擎的燃料是以甲烷为基础的混合燃料包括氢和合成气等添加剂。动力学模型动力学模型因为 HCCI 循环中的点火和燃烧通常由化学动力学特
9、性决定，选择一个合适的反应机理极其重要，这个反应机理不仅能够高精度再生基础燃料（甲烷）的点火和燃烧特性，还能够高精度再生由甲烷和氢或合成气组成的混合燃料的点火和燃烧特性。为了这个目的，这个被 Starik等人54，55预先开发的反应机理 已被应用于实际。此动力学机理的总体特征在于它包含了氢和合成气氧化的子机理以及氮氧化物（thermal,prompt and N 2 O-mechanism）和含氮物品（CN,HCN,CNO,CCN,C2N2）形成的主机理。它包括了 403 种可逆反应和 44 种物种。这种机理在一组庞大的实验数据上被详细验证，此组实验数据是在点火延迟及在反射冲击波的基础上测量的
10、 H、O 原子和 OH 原子团的演变的基础上得到的，而反射冲击波是利用激波管技术，层流火焰速度和在 H2-空气，H2-CO-空气，CH4-O2-Ar 和 CH4-空气等空气混合物中沿着火焰前沿不同物种的进化(看，例如55-57)。同样，这个反应机理以相当高的精度再测了本生喷灯58所给出的 CO,NO 和 OH 的测量温度。为了验证甲烷和氢的混合物的反应机理,我们操作了 Ref.5中提及的对照试验，还预期了在不同的 H2 含量下 H2/CH4/O2/Ar 混合空气的点火延迟时间的价值。这次对照实验结果如表一所示贫乏燃料（fuel-lean）的燃料/氧气的等价比=0.5。因为我们在激波管壁尾反射回
11、来的冲击波后测得的测量值与我们使用恒定体积搅拌反应器的计算值近似。值得强调的是此类实验中点火装置仅由化学动力控制。表 1 描述了在前期工作中已预期过的及在 Ref.中已获得的in的价值。考虑到点火延迟测量值公开的不确定值是 28s5，可推断出应用中的动力机制合理精确的验证了实验数据。在温度范围为 T0=1400-1700K,P0=5bar 时，对 H2 容量在 40-60%时的CH4/H2 混合燃料的氧化物来说，预期值和测量值之间的一些矛盾已被注意到。可以看出实验值和计算值证明了甲烷中氢的添加剂减少点火延迟时间（感应时间）。因此，当 CH44/H2 混合物中 H2 体积含量为 20%时（它对应
12、 H2 质量含量 3%），in值的减少量不大且不超过两倍。H2 的体积含量上升到 60%（即质量含量为 16%）导致点火延迟时间减少一个数量级甚至更多。在这些实验中11，59-61甲烷中 H2 的添加提升了火焰速度 Un。其反应机理54,55很好地更新了贫乏燃料和化学混合物的实验数据。只有对 CH4/H2/空气这类富燃料混合物当 1.2时，预测高估了实验数据。因此，在 =1.4 时，Un值得差异达到了两倍。这从表二可以看出。从这些例子中可以推断出应用反应机理能够成功使用于以 CH4/H2 和 CH4/合成气混合燃料形成的稀混合气和化学混合物为燃料的 HCCI 燃烧特性的计算。方法学方法学现如今
13、运用不同方法对 HCCI 发动机点火和燃烧进行建模。这些方法有零维单层热化学模型，反应器网状模型考虑到墙和裂缝区的燃烧特点，以及更多精确的二维（甚至三维）基于Favre 的 CFD 模型平均不平稳 Navier-Stokes 方程，此方程是为了加上各自湍流模型39的反应混合物。众所周知即使考虑到了气缸壁热损失，零维单层模型也不可能重现发动机排放中 NO和 CO 的浓度，并且不平稳 2 维 CFD 模型的应用更令人满意。前期工作中，HCCI 中前期气缸壁中的燃烧是使用 2 维 CFD 模型和零维单层模型模拟的。零维单层模型多半只用于粗略的评估，这种模型能够运作于在以富氢可替代燃料为燃料的 HCC
14、I 发动机的能量和排放特性中。在计算 0 维单层模型是利用 CHEMKIN 程序包62。随着 ANSYS-CFD 软件包中 FLUENT 程序的使用 CFD 计算被执行63。 HCCI 发动机汽缸的几何量和参数是从 ANSYS 程序包的指导书中得到的并且呈现在图 3 和表 1 中。计算从曲柄角 =-142到曲柄角 =115，即相应的进气阀关闭(IVC)到排气阀打开(EVO)。气缸壁和活塞顶面应该冷却,且冷却表面(边界)的温度等于510 K 因为在 Joelsson 等人64的水冷金属圆筒的实验研究中已被证实。类层流燃烧模型和可实行 k- 湍流模型已为仿真选择。这是假定为简单起见,所有混合参数及
15、其组成统一在进气阀关闭时(即曲柄角 =-142)。这种假设是相当强大的且不贴近现实。然而,对于操作在不同的燃料下的 HCCI 发动机的燃烧和排放特性的比较分析，这种假设似乎完全可以接受的。涡流比率等于 3。EGR 技术被认为是缺席的。具体分析是为了以下可替代燃料作出:纯甲烷；甲烷/氢混合物，由 CH4 / H2=50/50 和20/80 组成；合成气，组成成分为 CO/H2=25/75；以及甲烷/合成气混合物，组成成分为 CH4 /CO/ H2=100/25/75(此处及以后给出成分体积分数)。对于所有燃料/空气混合物的成分,混合物的初始温度是由这样一种方式选择来提供气缸中质量平均温度的最大值
16、在 为 9-10时。不同燃料的初始温度的值根据这个条件选择的,已在表 1 中给出。在气缸气体参数的 CFD 计算和发动机排气污染物的浓度平均值方面为了达到一个合理的准确性,带有不同网格的气缸中甲烷空气混合物燃烧的系列计算已初步执行。首先，在进气阀关闭时(=-142)5480 个单元和在 =0的上止点时 480 个单元组成的动态网格被用于仿真(网格 1)。单元的大小方面,在这种情况下,大约是 1 mm.图三显示了 =-142和 0时的计算网格。为了获得一定的规律,甲烷燃烧的数值已被网格测试运行，网格包含 =-142时的单元尺寸为 0.5 毫米(网格 2)的 22014 个单元 (4 倍量)和单元尺寸为 0.25 毫米(网格 3)的 87680个单元(16 倍量)。图 4 描述了体积平均静压 Pev的变化趋势和采用不同网格计算的 CH4-空气混合物生成的 CO,Cco的质量平均质量分数。可以看出压力的变化趋势网格 1、2 和 3 获得
