掺氢气对燃烧正庚烷HCCI发动机燃烧和排放特性的影响外文翻译资料

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掺氢气对燃烧正庚烷HCCI发动机燃烧和排放特性的影响

摘要

在燃烧正庚烷的HCCI发动机中，不同氢气的含量对燃烧和排放影响的机理通过应用分区模型的方法已经进行了大量的研究。该模型的计算成功得到了大量有用的数据。结果表明了由于掺氢气的稀释和化学影响推迟了燃烧正庚烷HCCI发动机的燃烧相位，其中稀释影响影响更大。这是因为添加一定量的氢气以后对燃烧过程化学影响的效果被定压缩比的运用降低了。推迟燃烧相位和降低燃烧持续时间的结果是导致在一个固定的燃烧相位中掺氢气会提高发动机的指示热效率。掺氢气后降低了指示特殊HC的排放，但是略微增加的标准未燃HC的排放，定义为每单位排放需要燃烧的正庚烷的质量。标准未燃HC排放的增加是因为在燃烧过程的高温下HC的存在会与氢气在一些关键的自由基上竞争。在给定的掺氢气的水平上，N₂O的排放会随着推迟燃烧相位的程度的增加而增加，但是增加氢气的浓度会减缓N₂O排放的增加。

1. 介绍：

氢气是一种清洁燃料，它的燃烧不产生二氧化碳，PM，HC。虽然氢气的应用还面临着许多问题，倒是它仍然有着很好的前景应用于内燃机的燃烧中。不幸的是氢气作为一种能量的携带者只能从碳氢燃料或者水中制取。纯氢气作为一种基础燃料用于内燃机对于现在来说仍然十分昂贵。但是作为一种选择，在常用的石化燃料中添加少量的氢气则是一种更为实用的应用氢气的方式。现在的研究表明氢富集可以扩宽稀燃极限并且可以增加碳氢燃料的火焰传播速度。掺氢气对于点燃式发动机来说不仅可以扩宽发动机的着火界限，而且可以使发动机工作在减少NOx排放的可靠的工作条件下。

HCCI发动机的燃烧过程吸引了越来越多科学家和设计师的关注，因为它理论上可以消除来自发动机燃烧的NOx和PM的排放。掺氢气对HCCI发动机燃烧过程的影响已经被很多研究人员研究过。Shudo et al.已经研究了掺氢气对二甲醚HCCI发动机燃烧过程的影响，并且发现了掺氢气推迟了发动机的燃烧相位。另一方面，掺氢气可以扩大天然气HCCI发动机的燃烧相位和扩大着火界限。Checkel et al研究了富氢气体的添加对辛烷或正庚烷HCCI发动机的影响并且发现了影响取决于基本燃料的辛烷值。

柴油机广泛应用于运输车和越野车。HCCI燃烧相对于普通的柴油机的优点是存在一种潜在的替代燃烧模式。柴油通常有两级燃烧，一个是低温热量释放阶段从而开始点燃过程，而最重要的是高温热量释放阶段。柴油机的HCCI燃烧过程存在的问题是提前点火限制了最高压缩比和燃料转化效率。合适的燃烧相位（点火时间）和合理的燃烧过程是柴油HCCI发动机获得更高的燃料转化效率和降低污染排放的至关重要的环节。氢气作为一种燃料具有更高的自燃温度可以协助控制柴油HCCI发动机的燃烧相位。同时，氢气具有较高的火焰传播速度和更可靠的熄火极限，因此，掺氢气可以提高柴油HCCI发动机燃烧过程的最高燃烧温度和降低燃烧持续时间。我们的实验结果表明了掺氢气可以推迟柴油HCCI发动机的燃烧相位，降低燃烧持续时间和提高燃料转化效率。然而，在各类文献和其他出版物中对柴油HCCI发动机掺氢气现象后面所以蕴含的基本机理关注不够。

本篇文章通过运用分区模型和大量的化学知识更加深入的研究了掺氢气对正庚烷（柴油的主要成分）HCCI发动机燃烧和排放的影响。为了区别于参考文献，本篇文章着重研究掺氢气对HCCI发动机燃烧过程影响的基本机理。本篇文章以描述数值模型和研究过的发动的为开始，陈述和分析了结果，最后得出结论。

2，数值模型

实验用的发动机是参考文献22实验所用的CFR发动机，这是一台单缸四冲程可变压缩比发动机。该发动机的具体参数在表一中列出。端口喷油器与参考文献23所使用的相同，该喷油器在进气道的上游雾化和喷射正庚烷。氢气在喷射正庚烷后喷入进气道。关于发动机更多详细的细节可在参考文献22中获得。

分区模型被用来做模拟。假设发动机的工作流体为理想气体并且四冲程发动机的运转，从排气冲程的上止点开始，在经过进气，压缩，做功，排气后在同样的位置结束，即360度到上止点后360度。

该模型用到8个区域，包括一个狭缝区域，一个边界层区域和六个核心区域。该模型假设裂缝区域的温度低于或者等于气缸处于最大容积处的温度。裂缝区域的容积假定为试验用发动机间隙容积的2%。边界区域和核心区域的质量分布假定为正常分布。

表1

工作流体和汽缸壁之间的能量传递在模型中假设为发生在边界层区域的对流。每个区域与相邻区域之间的换热是由于热传导和汽缸壁热辐射造成的。如果压力和温度发生变化，狭缝区和其他区域之间会发生物质交换。为了简化计算，每个时间节点的物质交换都被忽略。然而物质调整发生在每个时间节点之后。然后调整的物质在下一个时间节点被使用。物质调整是基于汽缸内的总质量和狭缝区的质量。在每个时间节点前后，狭缝区的质量可由根据狭缝区的温度，体积，组分和气缸压力所列出的理想气体状态方程计算得到。然后可以获得狭缝区的调整质量。在压力增加的过程中，流体从边界层区和核心区流向狭缝区，是确定的。相对的，在压力降低的过程中是不确定的。关于多区模型的更多细节可从其他文献和补充材料中获得，补充材料中可提供模型的所有细节，控制方程和相关参考文献。

戈洛维切夫发展的降低动力学机制在本文用到。在基础化学中加入了GRI Mech 3.0中的NOx生成化学用来计算NOx的排放。

本文的研究中发动机运转条件是：发动机转速为900rpm,EGR=0%和lambda;=3.5，其中EGR和lambda;分别代表排气再循环和相对质量空燃比（相对质量空燃比定义为实际质量空燃比和化学计量空燃比的比值）。正庚烷和氢气都被计入空燃比的计算。本文对压缩比为9是缓慢加入氢气的实验做了详细的细节分析。然后得到了不同压缩比下不同氢质量分数的实验结果。为了进行比较，还进行了在发动机运转条件为发动机转速为900rpm，EGR=60%和lambda;=1.2时不同指示热效率的实验。

氢质量分数定义为。其中和是发动机每循环加入的氢气和正庚烷的质量。在所有的试验中，进气压力，排气压力和混合气温度保持为恒定值150Mpa，170Mpa和75^oC。

3 结果和讨论

图1

图1描述了掺氢后当压缩比恒定为9时对气缸压力的影响。其他压缩比是的实验结果也基本相同。由此可得多区模型可能成功的表达汽缸压力分布。气缸峰值压力的曲轴转角受到氢含量的影响。当掺氢量较少时，气缸的峰值压力不会明显的改变，但是掺氢量较多时峰值压力会下降。掺较多氢时峰值压力的下降是由于后燃导致的不完全燃烧和失火。

燃烧相位是反应HCCI发动机燃油转化效率重要的参数。柴油机最高循环效率通常是在接近上止点处热量释放时获得的。本文中，燃烧相位设为CA50，曲轴转角为总热释放量的50%处的转角。图2表示了恒定压缩比为9.0时计算和测量不同氢含量时的燃烧相位。该模型的计算虽然有少量的定量差异存在，但是比较准确的得到了掺氢时燃烧相位的变化趋势。计算和测量都表明了掺氢会推迟正庚烷HCCI发动机的燃烧相位。这个结果与Konsereeparp，Checkel和 Hosseini获得的富氢气体低辛烷值HCCI燃烧的结果是一致的。这个实验结果同时也和Shudo et al.对二甲醚掺氢HCCI燃烧获得的实验结果一致。然而这个结果与Yap et al提出的掺氢提高天然气HCCI发动机的燃烧相位的结论相悖。正庚烷和二甲醚都是低辛烷值燃料，而天然气却是高辛烷值燃料。掺氢对HCCI发动机燃烧相位的影响取决于燃料的辛烷值。低辛烷值的燃料掺氢会推迟HCCI发动机的燃烧相位，而高辛烷值的燃料会提高燃烧相位。

图2

燃料中添加剂的添加由于稀释，热和化学影响会导致燃烧相位的变化。热影响是由于掺氢后汽缸内混合气热性能会产生变化。氢气的比热比正庚烷的低。因此掺氢后不会由于热效应而推迟正庚烷HCCI发动机的燃烧相位。稀释效应通常是由于反应物浓度的变化引起的，而化学效应是由于添加剂参与化学反应引起的。为了识别图2中掺氢后稀释和化学效应对燃烧相位的推迟作用，本文进行了附加的计算。在额外的计算中，一种和氢气具有热力学和运动学性质的人造惰性气体（AH₂）被用来代替氢气。两种模拟的唯一不同是附加计算中的模拟正常情况下掺入的气体不参与反应，两种模拟结果的不同是由于化学效应。另一方面，不添加任何添加物和加入人造惰性气体产生的不同是由于稀释作用造成的。附加计算的结果在图二中也有表现。结果表明掺氢对正庚烷HCCI发动机燃烧相位的影响是由于稀释作用和化学效应造成的，其中稀释作用影响更大。根据我的了解，这个结果并没有在任何著名杂志上发表。

正庚烷是一种两阶段燃烧的燃料。正庚烷的点燃受其低温阶段的反应控制。计算结果表明低温阶段的反应开始于反应,和其他反应，其中,反应最重要。压缩比为9的时候掺氢或者不掺氢在低温阶段的反应路径在图3中展现出来，图中箭头线厚度表示气缸内平均反应速度的计算量。观察可以发现可以明显降低低温反应阶段的反应性。掺氢和不掺氢初始氢转移后的正庚烷的反应速率都没有明显的变化，实验表明初始氢转移是低温动力学最关键的部分。

掺氢后正庚烷的浓度会下降。同时，因为氢气燃烧所需的氧气较少，所以在相同空燃比之下氧的含量也会降低。因此，掺氢会降低初始氢转移的概率，例如和，因此会降低低温阶段的反应性和热量释放，图4是累计热释放量的曲轴转角函数曲线。结果表明，掺氢会推迟燃烧相位。这就是掺氢后由于稀释作用推迟燃烧相位的原因。虽然Shudo et al已经注意到了下面将讨论的化学效应，但是这种稀释作用的影响还没有在任何著名杂志上发表。

图3

由于氢气不是一种惰性成分，因此它在低温阶段也参与部分反应，特别是反应。低温反应阶段OH的消耗减缓了正庚烷的氧化反应，同时也降低了图四中总的热释放量。因为根据图三可知，OH参与反应，这是低温阶段最关键的反应。因此，掺氢推迟正庚烷HCCI发动机的燃烧相位是化学效应的作用。这是Shudo et al作的类似的分析。由于活化能相对较大，反应在低温阶段仅消耗很少量OH。因此，掺氢在低温阶段化学效应的影响远小于稀释作用。

燃烧持续时间是影响HCCI发动机转化效率的另一个参数。图5显示了在恒定压缩比为9时掺氢对燃烧持续时间的影响。燃烧持续时间定义为CA_10-90,分别记录了10%和90%曲轴转角的不同。值得注意的是，模型计算所得的燃烧持续时间低于测量所得的，但是却能捕捉到定性变化趋势。实验和计算都表明，在恒定压缩比下掺少量的氢略微降低了燃烧持续时间，但是掺氢量较高时燃烧持续时间又会增加。

图4

图5中也有添加AH₂的额外计算。如果添加AH₂替代氢气那么燃烧持续时间的单调增加，二者具有相同的热交换和输送性能，但是AH₂不参加化学反应，研究表明氢的稀释作用使燃烧持续时间单调增加。因此，掺少量氢气后燃烧持续时间略微下降是由于掺氢的化学作用引起的。这是因为氢的加入加剧了高温燃烧阶段的反应性。这通常由的链分支化学反应控制的。结果表明，掺氢后高温阶段热释放率增加，燃烧持续时间降低。然而，进一步增加氢的含量燃烧持续时间开始增加。这是由于掺氢过多后燃烧相位被过多的推迟而发生不完全燃烧。应该指出的是掺氢的化学效应会明显降低燃烧持续时间，这从正常计算和使用AH₂的额外计算的不同可以得出。这表明虽然掺氢后由于稀释作用推迟了燃烧相位，但是燃烧持续时间由于化学作用明显降低。这就是掺氢和掺惰性气体的区别。掺氢后燃烧持续时间的增加可能导致上止点附近的热释放量增加，并且如果获得合理的燃烧相位，循环效率也会增加。

图5

图6反映了恒定压缩比为9.0时掺不同质量分数的氢时指示热效率的变化趋势。指示热效率定义为

其中p代表压力，V代表气缸容积，H代表低热值，下标n-heptane和分别代表正庚烷和氢气。实验只在压缩和膨胀两个冲程进行了整合计算。实验结果表明模型的定量计算过高估计了指示热效率，但是定性的捕捉到了它的变化趋势。压缩比恒定的条件下，随着氢气的质量分数的增加，指示热效率先增加后减小。图2表明了纯正庚烷HCCI燃烧的指示热效率很低，这是由于相对于上止点的燃烧相位过前。当掺入少量氢气时，燃烧相位被推迟更接近于上止点并且燃烧持续时间降低，从而导致热效率提高。然而，当氢气的质量分数过高时，燃烧相位相对于上止点被过多的推迟，由于不完全燃烧和失火而导致指示热效率下降。因此，在恒定压缩比和发动机运转的条件下，有一个最佳的氢气质量分数。数值计算和实验结果的不同可能是多区模型的简化造成的。尤其是窜气没有被计入模型中。

图6

图7进一步显示掺氢对指示热效率的影响和燃烧相位的影响相同。试验获得了改变压缩比后不同氢质量分数的燃烧相位的变化。实验表明当氢的质量分数增加时，指示热效率增加，而燃烧相位却是固定的，除非燃烧相位过于提前。这是因为掺氢会推迟燃烧相位，而当氢的含量增加时提高压缩比可以获得相同的燃烧相位。当燃烧相位相对于上止点被过多的推迟时，掺氢会略微的降低指示热效率，原因就如图5所说的会降低燃烧持续时间，而后会导致上止点前热量释放过多从而降低循环效率。因此，适当降低燃烧持续时间并且有一个合适燃烧相位可以提高发动机效率。

图7同样表明了当氢含量一定时，通过降低压缩比使燃烧相位受到压制从而到达最佳值可以获得最大的指示热效率。当氢含量增加时，最大指示热效率增大，同时指示热效率达到最大时燃烧相位被过多的推迟。这实验说明就动力输出和燃料转化效率来说掺氢可提高正庚烷HCCI发动机的性能。图8说明了指示热效率的提高，定义为掺氢时最大最大指示热效率和不掺氢时的比值。为了作比较，图8也表示了进气混合气EGR-lambda;为60%-1.2时相应的指示热效率的提高。实验和计算都表明在EGR=0，lambda;=3.5时掺氢对提高指示热效率的作用比在EGR=60%，lambda;=1.2时作用大。这是EGR=0，lambda;=3.5时的进气

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