摻氫天然氣充量均質壓燃發動機燃燒和排放特性的數值模擬研究

李延吉，許多，宋瑞雯，李明澤

（沈陽航空航天大學 清潔能源利用遼寧省重點實驗室，沈陽 110136）

0 概述

為了滿足日益嚴格的排放法規，清潔替代能源和高效低排放燃燒技術一直都是國內外學者研究的重點。新型燃燒模式中的“均質壓燃、低溫燃燒”不同于傳統內燃機的燃燒模式，它結合了柴油機和汽油機的優勢。其基本思想是在現代內燃機控制技術的基礎上，通過控制內燃機燃燒室內的溫度、壓力和燃料、活化基及再循環廢氣的濃度，對燃燒邊界條件與燃料燃燒化學反應進行協同控制，實現可控且高效的清潔燃燒，最大限度地提高熱效率，降低有害污染物的生成［1］。

均質充量壓燃（homogeneous charge compression ignition，HCCI）的燃燒模式所用燃料不局限于汽油、柴油［2］。天然氣是一種以甲烷為主要組分的安全清潔高效燃料，其辛烷值和熱值相對較高，在高壓縮比下不會導致爆燃，且著火界限比較寬，在稀燃條件下也能有較大的運轉范圍，近幾年天然氣HCCI發動機也得到了廣泛的關注［3］。氫氣是一種清潔可再生能源，可以從其他的碳氫燃料或水中獲得。但使用純氫作為發動機的主要燃料成本過高，因此常見的氫氣利用方式為使用少量氫氣作為常規化石燃料的添加劑［4］。天然氣摻氫后可以降低燃燒所需能量，增大燃燒效率，減少燃燒后含碳排放［5］。在HCCI發動機中燃料燃燒化學反應動力學過程對燃燒過程控制起著主導作用。相對于傳統的內燃機燃燒，燃料的理化特性對HCCI燃燒過程和運行工況范圍有更大的影響［6-9］，而混合燃料策略是控制這兩個方面參數的最佳解決方案［10-11］。

其中摻氫天然氣HCCI發動機受到了學者們的廣泛研究。文獻［12-13］中通過建立單區模型對摻氫天然氣HCCI發動機進行數值模擬研究，結果表明單區模型能夠準確預測HCCI發動機中的點火正時；以摻氫天然氣為燃料能提高熱效率，降低CO和HC的排放；摻氫可以延長天然氣的稀燃極限；混合燃料的初始特性能控制發動機的著火正時和燃燒效率。文獻［14］中研究了少量摻氫對天然氣HCCI發動機的燃燒影響，結果表明加入少量氫氣對缸內壓力及溫度峰值的影響較??；少量氫氣使燃燒過程氫氣濃度上升，但對CO生成濃度影響較小。文獻［15］中研究了不同工況參數對摻氫天然氣HCCI發動機的NOx生成量影響，結果表明增大轉速、進氣壓力及溫度使NOx的生成量增多，而增加過量空氣系數則會降低NOx的排放。

然而目前對于摻入氫氣對天然氣HCCI發動機的燃燒過程中自由基及基元反應影響的研究仍然較少。在此背景下，本文中利用CHEMKIN化學動力學軟件對摻氫比0%～40%的天然氣HCCI發動機燃燒過程進行模擬，分析發動機燃燒特性及燃燒過程中主要基元反應的反應速率，研究氫氣的加入對天然氣HCCI發動機燃燒過程的影響作用及對著火時刻和NO生成的影響機制，為進一步了解HCCI發動機的燃燒特性和混合燃料的燃燒過程奠定理論基礎。

1 模擬方案

對摻氫天然氣HCCI發動機的零維單區燃燒模型進行了假設：（1）假設缸內的工質處于均勻分布的狀態，即零維；（2）假設工質熱力學參數僅與氣體進入缸內的物理性質有關；（3）假設缸內混合氣工質總質量保持不變，不存在漏氣損失［16］；（4）假設氣體在進入氣缸前已經滿足HCCI燃燒過程中對氣體的均勻混合度和溫度等相關燃燒初始數據的要求［17］。

采用CHEMKIN中的IC ENGINE模塊對摻氫天然氣HCCI發動機的燃燒過程進行數值模擬。實際天然氣中的極大部分為甲烷，因此本模型中使用甲烷來代替天然氣的成分進行計算模擬分析。模擬過程中選擇GRI-Mech 3.0作為反應機理，其中包括53種物質、325個基元反應式。模擬工況的初始參數：當量比為0.3，轉速為1 200 r/min，進氣溫度為473 K，初始壓力為0.1 MPa。模擬所使用的發動機基本參數如表1所示。本文中曲軸轉角為負表示上止點前，曲軸轉角為正表示上止點后。

表1 發動機基本參數

通過計算可以得到摻氫體積比為0%、10%、20%、30%和40%時摻氫天然氣混合燃料進氣時各個組分的物質的量分數，如表2所示。隨著摻氫體積比的增加，混合燃料中的甲烷、氧氣和氮氣的物質的量分數都降低。

表2 混合燃料各組分的物質的量分數

2 模型的驗證

為了驗證所建立的天然氣HCCI發動機的零維單區燃燒模型，在當量比為0.3、進氣溫度為442 K、初始壓力為0.1 MPa、發動機轉速為1 000 r/min的工況下對摻氫體積比為0%時的天然氣HCCI發動機進行數值模擬，發動機缸內壓力和缸內溫度的模擬值和文獻［18］中的試驗結果對比如圖1和圖2所示。

圖1 缸內壓力的模擬值和試驗值對比圖

圖2 缸內溫度的模擬值和試驗值對比圖

從圖1和圖2可以看出，數值模擬計算得到的缸內壓力和缸內溫度曲線與試驗得出的曲線的趨勢大致相同，但是模擬得到的壓力和溫度的峰值都略比試驗值高。這一方面是因為模擬中所考慮到的熱損失值比試驗中的要小，另一方面是因為零維模型中工質都是均勻分布且相當于理想等容燃燒，而試驗中會存在局部溫度和壓力過高的現象。且試驗中著火時刻比模擬略有提前也是因為缸內工質的不均勻性加速了部分區域的自燃［5］?？傮w而言，所建立的零維單區模型能準確模擬天然氣HCCI發動機燃燒。

3 模擬結果分析

3.1 摻氫對天然氣HCCI發動機燃燒特性影響

3.1.1 缸內壓力及溫度

圖3、圖4和圖5為模擬工況不同摻氫比下燃燒過程中的缸內壓力與溫度變化曲線圖及自燃著火時刻對比圖。

圖3 不同摻氫比下的缸內壓力

圖4 不同摻氫比下的缸內溫度

圖5 不同摻氫比下的自燃著火時刻

增加摻氫比會導致缸內溫度和壓力的上升時刻不斷提前，即發動機的著火時刻提前，正如圖3所示。這是因為氫氣具有點火能量低的燃燒特性，使得天然氣摻氫后的著火條件得到明顯改善，更容易進行反應。

從圖3中也可以看出隨著摻氫比的增加，缸內壓力峰值變化不明顯，而缸內溫度的峰值會隨著摻氫比的增加略有下降后升高。摻入氫氣后燃料的燃燒速率加快但同時混合燃料的體積熱值也降低，而在摻氫比為10%時體積熱值降低幅度較大，從而導致此時缸內溫度的峰值有略微下降的趨勢。摻入氫氣也會導致氧濃度降低，較低的含氧量會降低缸內溫度，但隨著摻氫比增加，燃燒速率加快對溫度升高的促進作用比低含氧量和低體積熱值對溫度升高的抑制作用要略大，因而此時缸內溫度有所上升，但上升的趨勢較不明顯。且由于摻氫后著火時刻的提前，導致了燃燒高溫持續時間的延長。但著火時刻的過分提前會增加活塞的壓縮功，也會出現回火的現象，不利于提高發動機的燃燒動力性能?？偟膩碚f，摻混氫氣的比例對缸內壓力和溫度的影響較小。

3.1.2 初始燃料（CH4、H2）

圖6和圖7分別為在模擬工況摻氫比下燃燒過程中的CH4和H2物質的量分數變化曲線圖。甲烷先被緩慢消耗，隨后被迅速消耗完全，并且隨著摻氫比的增加，其開始反應時刻也提前。從圖7可看出，在不摻氫時，由于甲烷在高溫反應中生成少量氫氣，所以有氫氣迅速產生和消耗的過程［4］，然而這并不意味著在摻入氫氣時甲烷燃燒不會產生氫氣，可能存在氫氣的生成量與消耗量守恒的情況，或生成的氫氣對摻氫甲烷的燃燒沒有明顯影響［19］。

圖6 不同摻氫比下的CH4物質的量分數

結合圖6和圖7能看出甲烷和氫氣是在同一時刻被迅速消耗，并且摻入氫氣后促進了甲烷在燃燒過程中的消耗反應；還可以看出隨著摻氫比不斷增加，著火時刻的提前現象減弱。

圖7 不同摻氫比下的H2物質的量分數

3.1.3 放熱率

放熱率的定義為1 kmol混合氣在單位時間或單位曲軸轉角的燃燒放熱量。圖8是在模擬工況下不同摻氫比下燃燒過程中的放熱率變化曲線圖。與純甲烷燃燒放熱率相比，摻入體積比為10%的氫氣后，發動機燃燒過程的放熱率峰值略有降低，而加大摻氫比時放熱率峰值有所上升，能看出放熱率隨摻氫比增加的變化趨勢與缸內溫度相同，且放熱率受摻氫比影響不大。

圖8 不同摻氫比下的放熱率

3.1.4 CO及CO2排放

圖9和圖10分別為在模擬工況下不同摻氫比下燃燒過程中的CO和CO2物質的量分數變化曲線圖。

圖9 不同摻氫比下CO的物質的量分數

由圖9可知，在燃燒初始階段，CO的濃度迅速上升，又在短時間內迅速下降，最后消耗完畢。這是由于在摻氫天然氣HCCI發動機著火燃燒的瞬間CO就作為中間產物開始產生并隨后達到峰值。隨著燃燒時間的增加，CO開始迅速被氧化成CO2，即CO濃度在短時間內下降，而相應的CO2的濃度也在短時間內上升，如圖10所示。在本次模擬中，CO幾乎完全反應生成CO2，其主要原因是模擬工況當量比為0.3，燃燒室內有充足的空氣進行反應，且模擬所采用零維單區模型，缸內工質分布及反應均勻，混合燃料可以完全燃燒。

圖10 不同摻氫比下CO2的物質的量分數

由圖9和圖10可以看出，CO和CO2的生成及到達峰值的時刻都隨著摻氫比的增加而有所提前，且峰值均下降。這與文獻［11］中的結論相同：在燃料中摻入氫氣后，氫的混合作用和稀釋作用均會使CO和CO2的濃度降低及其最大值向較小的曲軸轉角移動。摻入氫氣后，天然氣HCCI發動機燃燒后CO和CO2的濃度有所減少，其中摻入氫氣比例對CO2的排放量影響較大。這是因為氫氣是一種不含碳的清潔能源，其與天然氣摻混降低了混合燃料的含碳量，從而減少了CO和CO2的排放量。

3.1.5 NO排放

氮氧化物（NOx）中最主要的大氣污染物為NO和NO2。在本次模擬中，尾氣排放中的氮氧化物主要為NO。在模擬工況下不同摻氫比下NO物質的量分數變化曲線圖如圖11所示。

圖11 不同摻氫比下NO的物質的量分數

從圖11可看出，在燃燒開始時NO的濃度開始迅速上升到達峰值，且隨著摻氫比的增加，NO的濃度峰值也隨之升高。NO的生成主要受溫度、含氧量、高溫持續時間等因素的影響。由于氫氣的火焰傳播速度比甲烷快且其燃燒速度也相對較快，摻入氫氣后加快了混合燃料的燃燒速率，同時缸內溫度升高［20］，而高溫對NO的生成具有促進作用［21］。且隨著摻氫比的增加，高溫持續時間延長，生成NO的反應物在高溫區停留的時間變長，促進了NO的生成。另外，摻入氫氣使含氧量降低，低含氧量則會抑制NO的生成?？梢园l現，隨著摻氫比的增加，高溫和較長的高溫持續時間對NO生成的促進作用相對較大，從而導致了NO濃度的增加。

3.2 化學反應動力學

由于HCCI發動機著火時刻由缸內混合氣化學動力反應率決定，最佳著火時間無法通過點火或者噴油控制，對HCCI發動機著火時刻控制的難度較大［22］，且減少大氣污染和保護環境迫在眉睫。因此本節將繼續采用相同模擬工況，對摻氫體積比為0%～40%的天然氣HCCI發動機的燃燒化學反應過程進行模擬，通過化學反應動力學分析研究不同摻氫體積比對發動機的著火時刻及NO生成機理的影響。

3.2.1 著火時刻

為了進一步分析不同摻氫比對發動機著火時刻的影響，用相同模擬工況進行模擬并分析模擬結果，利用化學反應速率得出消耗和生成氫氣的主要基元反應，然后對相關基元反應的反應速率隨摻氫比變化的變化趨勢進行分析，從而得出摻氫對天然氣HCCI發動機燃燒過程的影響，繼而研究得出摻氫對發動機著火時刻的影響［23］。

表3為H2參與的主要基元反應的具體參數。通過數值模擬可以得到氫氣在發動機缸內燃燒過程中參與的主要基元反應及其各基元反應的反應速率。圖12為摻氫比為0%時燃燒過程中H2參與的主要基元反應的反應速率隨著曲軸轉角變化的曲線圖。圖12中的反應速率為正表明該基元反應生成H2，反應速率為負表明該基元反應消耗H2。

圖12 摻氫比為0%時H2參與的主要基元反應的反應速率

表3 反應過程中H2參與的主要基元反應

通過研究發現摻入氫氣后不會改變甲烷燃燒反應路徑，因此可以得出模擬工況不同摻氫比下發動機缸內燃燒過程中氫氣的總反應速率隨曲軸轉角變化的曲線圖如圖13所示。圖13中反應速率為正表明此時反應中的H2主要以生成為主，反應速率為負則表明反應中的H2主要以消耗為主。

由圖13可知，在本次模擬中摻入氫氣后H2的總生成反應速率與消耗速率相比較低，且隨著摻氫比的增加變化并不明顯，因而在此不對生成H2的基元反應作過多分析。

圖13 不同摻氫比下H2的總反應速率

由圖12能看出消耗H2主要基元反應的反應速率相對較高。結合圖13也能看出在未摻氫時H2在反應中先主要進行生成反應，之后主要以消耗反應為主。在摻入氫氣后H2的總反應速率沒有出現明顯正數部分，但不能說明在其他摻氫比的燃燒過程中沒有生成氫氣的情況。由圖12和圖13還可以看出摻氫比從0%增大至10%時氫氣的總消耗速率并沒有明顯變化，但是隨著摻氫比的不斷增加，氫氣的總消耗速率也在不斷增大。

圖14為不同摻氫比下消耗氫氣的基元反應R3和R84的反應速率的變化。由圖14可以看出，兩個基元反應的反應速率都隨摻氫比的增加而升高，其中基元反應R84的反應速率相對較高，且它隨摻氫比變化的變化趨勢較明顯，因此可以看出氫氣主要是通過消耗反應為發動機缸內體系提供了大量的H自由基。

圖14 不同摻氫比下基元反應R3和R84的反應速率

表4為摻氫后H參與的主要基元反應的具體參數。通過模擬得出摻氫比分別為0%和10%時燃燒過程中H參與的主要基元反應的反應速率隨著曲軸轉角變化的曲線圖及不同摻氫比下H的總反應速率隨曲軸轉角變化的曲線圖，如圖15～圖17所示。

圖17 不同摻氫比下H的總反應速率

表4 反應過程中H參與的主要基元反應

圖15 摻氫比為0%時H參與的主要基元反應的反應速率

結合圖15～圖17能看出在反應開始時生成H的基元反應的反應速率較大，隨后H的消耗反應的反應速率增加，此時H主要以消耗為主。隨著摻氫比的增加，生成和消耗H的反應的總反應速率的變化速率一致，都呈現出先下降后上升的趨勢。并且由圖15和圖16可以看出摻入氫氣后，H參與的主要基元反應發生變化。

圖16 摻氫比為10%時H參與的主要基元反應的反應速率

通過模擬得到不同摻氫比下表4中的H參與的主要基元反應的反應速率峰值的變化曲線圖，如圖18所示。由圖18（a）能看出，改變摻氫比對基元反應R3、R57、R167、R10和R166的反應速率峰值影響較小，也能看出在生成H的主要基元反應中R290的反應速率較低，且隨著摻氫比的增加而不斷降低到接近0 mol/（cm3·s）。隨著摻氫比的增加，基元反應R99和R84的化學反應速率峰值分別呈現出明顯的下降和上升的趨勢，說明在摻入氫氣后反應過程中生成的OH更傾向于和H2生成H。由圖18（b）可以看出隨著摻氫比的增加，基元反應R35、R36和R38的反應速率峰值都呈現先略有下降后上升的趨勢，其中R38的反應速率較高且其變化趨勢也較明顯。R35和R36為生成HO2的基元反應，在甲烷燃燒中高溫時較為重要，而R38為鏈分支反應，為體系提供了自由基。在相同的當量比下，增加摻入的氫氣含量則會導致缸內的氧氣含量降低，因此推測與氧氣相關的基元反應的反應速率也會隨著摻氫比的增加而不斷降低。而從圖18（b）所示的模擬結果中可以看出，雖然摻氫比從0%增加至10%時這3個與氧氣相關的基元反應的反應速率有所降低，但是當摻氫比繼續增加時，反應速率卻有所增加，這表明摻入氫氣后確實增強了鏈分支反應，提前了熱量釋放的時間從而促進了甲烷的自燃，使著火時刻提前。

圖18 不同摻氫比下H參與的主要基元反應的反應速率峰值

3.2.2 NO生成

表5為NO參與的主要基元反應的具體參數。表5中，R178和R179為熱力型NO生成機理，R182和R199為N2O生成NO的機理［24］，R208則是經由NNH生成NO的機理［25］。

表5 反應過程中NO參與的主要基元反應

通過數值模擬可以得到摻氫比為0%時NO在發動機缸內燃燒過程中參與的主要基元反應的反應速率隨著曲軸轉角變化的曲線圖如圖19所示。通過進一步的研究發現當摻氫比增加至20%時，NO參與的主要基元反應的種類有所變化，此時基元反應R212的反應速率降低且可以忽略其對NO生成的影響，同時基元反應R186的反應速率增加，對NO的消耗作用漸漸變得重要。圖20則是摻氫比為20%時燃燒過程中NO參與的主要基元反應的反應速率隨著曲軸轉角變化的曲線圖。

圖19 摻氫比為0%時NO參與的主要基元反應的反應速率

圖20 摻氫比為20%時NO參與的主要基元反應的反應速率

圖21為不同摻氫比下NO的總反應速率隨摻氫比變化的曲線圖。由圖21可以看出，NO的總反應速率為正數，說明在反應過程中NO主要以生成為主。由圖21也能看出在燃燒開始時，NO的總反應速率迅速開始上升到達峰值，此時反應速率峰值隨摻氫比的增加而降低。隨著燃燒的進行，NO的總生成速率迅速降低，而在后期又有一個緩慢上升的趨勢，在到達第二個峰值后又緩慢降低，第二個反應速率峰值隨著摻氫比的增加先略有下降后上升。這是由于本次模擬的當量比為0.3，在燃燒后期燃料被基本消耗完畢時，缸內仍有剩余的O繼續參與反應生成NO，因此在后期NO的總生成速率又呈現上升趨勢。

圖21 不同摻氫比下NO的總反應速率

在不同摻氫比下模擬得出的NO參與的主要基元反應的反應速率峰值隨摻氫比變化的曲線圖如圖22所示。由圖19和圖20能看出基元反應R178、R179和R182的反應速率有兩個峰值，為了便于區分將第1個和第2個峰值分別標為A和B。

圖22 不同摻氫比下NO參與的主要基元反應的反應速率峰值

從圖22（a）可以看到基元反應R188、R189、R199、R208、R212和R216的反應速率峰值雖然隨著摻氫比的降低而略有降低，但整體上變化幅度不明顯，且它們的速率峰值都小于0.4×10-5mol/（cm3·s），對NO的生成貢獻較小，因而在此不對這些基元反應展開進一步分析。由圖22能看出基元反應R178、R179和R182的反應速率的第一個峰值隨著摻氫比的增加而降低，此時R182的反應速率峰值較高，說明在燃燒開始時生成的NO主要來自于由N2O生成NO的機理，且隨著摻氫比增加進氣組分中的O2和N2的物質的量分數在減少，而這3個基元反應中都含有氮原子和氧原子等反應物，因而此時反應速率隨著摻氫比的增加而下降。

由圖22還能看出基元反應R178、R179和R182的反應速率的第2個峰值隨著摻氫比的增加而升高，此時R178和R179的反應速率峰值較高，說明在燃燒后期時生成的NO主要來自于熱力型NO機理，因為氧氣濃度和缸內溫度都會影響熱力型NO的生成。而由圖4能看出隨著摻氫比的增加缸內溫度也不斷上升，因而此時熱力型NO的生成速率不斷上升且占主要地位。從圖22（b）可以看出基元反應R187的反應速率峰值隨著摻氫比的增加而下降，而R186的反應速率的變化趨勢卻相反。結合圖20能看出NO的總反應速率主要以生成為主，進而可以說明消耗NO的基元反應的反應速率的變化對NO的濃度影響較小。因此可以說明摻入氫氣后缸內溫度不斷上升，因此導致了NO的濃度隨著摻氫比增加而不斷上升。

4 結論

（1）摻入氫氣后，缸內壓力峰值變化不明顯，而缸內溫度峰值和放熱率隨著摻氫比的增加先略有下降后升高。著火時刻隨著摻氫比的增加而不斷提前但提前程度減弱。

（2）初始燃料CH4和H2的開始消耗時刻隨著摻氫比的增加而提前，且消耗速率也隨之加快，摻入氫氣后燃燒過程中CH4反應生成H2的現象不明顯。

（3）CO和CO2的生成時刻隨著摻氫比的增加而不斷提前，且濃度隨之降低，CO幾乎完全氧化生成CO2，因此尾氣排放中的CO含量較低；NO濃度隨著摻氫比的增加而增加。

（4）摻入氫氣后，反應過程中的氫氣主要以消耗為主，氫氣參與的主要消耗反應（鏈分支反應R3和鏈傳遞反應R84）的反應速率加快，H自由基的生成速率加快，同時H參與的主要消耗反應R35、R36和鏈分支反應R38加快，加快了HO2和OH自由基的生成，從而使著火時刻提前。

（5）NO在燃燒過程中主要以生成為主，其主要由基元反應R178、R179和R182反應生成。在燃燒開始時R182的反應速率較大，而燃燒后期R178和R179的反應速率變大。隨著摻氫比的增加，3個基元反應的反應速率的第1個峰值不斷降低，而反應速率的第2個峰值不斷上升。此時NO主要的消耗基元反應為R186和R187，其中R186的反應速率隨摻氫比的增大而降低，而R187的反應速率隨摻氫比的增大而上升。