刘永辉　杨振中　付玉生　运红丽

摘 要：以一台由汽油机改装而成的点燃式单缸氢发动机为研究对象，研究了不同废气再循环率对氢发动机燃烧和排放特性的影响。研究结果表明：随着废气再循环率的升高，缸内的温度和压力降低，滞燃期和燃烧持续期增加，燃烧放热重心后移，缸内NO_x排放有明显的降低。关键词：氢发动机;EGR;燃烧;NO排放中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-15-03

Abstract： Taking a ignited single-cylinder hydrogen engine modified by a gasoline engine as the research object， the effects of different exhaust gas recirculation rates on the combustion and emission characteristics of hydrogen engines were studied. The results show that with the increase of exhaust gas recirculation rate， the temperature and pressure in the cylinder decrease， the retardation period and combustion duration increase， the center of combustion exotherm shifts， and the NO_x emission in the cylinder decreases significantly.Keywords： Hydrogen engine; EGR; combustion; NO emissionCLC NO.： U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-15-03

前言

当今世界正面临着能源短缺和环境污染两大严峻的问题，因此开发清洁无污染的替代能源已成为一种必然的趋势。氢气以其所需点火能量低、着火界限宽、火焰传播速度快等一系列优点而备受各国科学家的青睐^[1-3]。同时氢燃料的燃烧产物相较石油燃料十分清洁，不会产生CO、HC这些对环境极为破坏的污染物。但是，氢燃料发动机在高温下也会产生一定量的NO_X，从而对大气环境产生污染。因此在保证氢发动机动力性和经济性的同时又能够降低排气中的NO_x是当前所需要解决的一个重要问题。目前，所采用的降低NO_x的方法主要有向气缸内洒水、推迟点火、改变燃烧方式、采用EGR等^[4]。相较而言，由于EGR具有降低NO_x的效果更为显著，而且结构简单，操作方便，无需对原发动机进行较大改动等诸多优点，因此被广泛应用。

1 研究对象与研究方案

1.1 研究对象

本文的研究对象是在一台由嘉陵JH600汽油机改装而成的四气门点燃式单缸氢发动机，发动机的具体参数如下：缸径为94mm、行程為85mm、压缩比为6.7、最大扭矩为51N.m，最大扭矩转速为4500 rpm，最大功率30Kw、最大功率转速6000rpm。

鉴于考虑到氢燃料的一些基本特性。因此本文在研究时对其燃烧模型特做出以下几点假设：（1）暂不考虑气缸内各点的温度和压力分布的微小差异;（2）发动机气缸内混合气的状态视为均匀混合;（3）对于进气中的温度和压力波动的影响暂不考虑;（4）气缸视为完全密封状态，且缸内的工质在封闭过程中没有发生泄露^[5]。

1.2 研究方案

为了进一步提高仿真模拟结果的精确度，本次模拟时考虑了初始条件和边界条件对工质的影响。其中初始条件和边界条件的具体参数设置如下：对于初始条件缸内初始温度为950K， 缸内初始压力设为0.106MPa。边界条件分别设为：空气进口压力0.1Mpa、排气出口压力为0.105Mpa、进气道壁面温度设为300K、排气道壁面温度为600K、活塞壁面温度为600K。

氢发动机的喷射方式主要分为缸内直喷和进气道喷射，对于进气道喷射方式而言，由于其增加了氢气和空气混合气的混合时间，使得混合气能够混合的更加均匀，基于此本次模拟采用进气道喷射方式，其中定义发动机进气上止点为360°CA，燃烧上止点为720°CA。发动机的转速选择为城市道路工况典型的2000r/min，喷氢时刻固定为394°CA，喷氢压力定为3bar，点火时刻固定为702°CA，当量比设为0.84，EGR率分别取0、5%、10%、15%、20%，研究中等负荷工况下不同EGR率对氢发动机燃烧和排放特性的影响。

2 模拟结果与分析

2.1 EGR率对缸内温度和压力的影响

从图1中可以看出随着EGR率的增大，缸内的温度呈现逐步降低的趋势，当EGR率分别加入0、5%、10%、15%、20%时，缸内的最高温度分别为2740K、2680K、2580K、2160K、1990K。当EGR率小于10%时，缸内温度呈现小幅度下降。而当EGR率大于10%时，缸内的温度降低显著。同时可以看出随着EGR率的增大，燃烧重心后移，燃烧持续期也随之增大。分析其原因主要是EGR的加入，使缸内混合气的惰性气体量增加，进一步降低了缸内氧气的浓度。同时缸内火焰传播速度降低。

由图2中可以看到当气缸内加入EGR的量逐渐增大时，缸内的压力也呈现降低的趋势。当EGR率较小时，缸内的压力变化曲线下降幅度较小，当EGR率较大时，压力出现大幅度下降的趋势。分析其原因主要是由于压力的变化对少量的EGR率敏感性较低。而随着EGR率的持续增大，其敏感性也随之增大。

2.2 EGR率对NO生成的影响

从图3中可以看出，缸内NO质量分数呈现出随着EGR率的增大逐步降低的趋势。无EGR时，缸内NO质量分数为0.0053，当EGR率分别为5%、10%、15%时NO的质量分数分别为0.0037、0.0021、0.00017相较于无EGR，分别下降了30.1%、60.3%、96.7%。分析其原因：首先NO的生成条件主要与缸内高温、富氧以及反应时间相关。EGR的加入由于降低了氧气的浓度，同时又由于废气中的惰性分子一定程度上阻碍了抑制了燃烧的化学反应速率，使得缸内温度降低，因此缸内的NO呈现出降低的趋势。当EGR率较小时，NO降低效果并不明显，主要是由于小EGR率条件下，其少量的EGR废气对缸内混合气的浓度的稀释作用较小，同时少量的高温EGR废气还能够改善缸内气体的燃烧，这样EGR对抑制燃烧和促进燃烧的作用相差不大^[6]，因此NO相较于无EGR变化较小。而当EGR率较大时，过多的废气使得缸内气流运动减弱，混合气浓度降低效果显著，进而影响了火焰的传播速度。EGR抑制缸内燃烧的作用占据主导。因此缸内的NO质量分数有了显著的降低。

3 结论

EGR对发动机气缸内燃烧状况影响深远，特别是对降低NO_x排放有着显著的作用，但是如果EGR率加入不当，也会对发动机产生不利影响。合理组织適当的EGR率可以有效改善缸内燃烧状态，在保证发动机满足动力性和经济性的同时，进一步降低NO_x排放。

参考文献

[1] 吴凤英，王站成，高定伟，徐斌，吴健.不同废气再循环率和点火时刻

对增压汽油机燃烧和排放的影响[J].河南科技大学学报（自然科   学版），2015，36（02）：35-38+4.

[2] 于秀敏，吴海明，杜耀东，刘林，牛仁旭，董伟.氢气直喷与EGR协同作用对汽油机燃烧和排放的影响研究[J].汽车工程，2016，38（09）： 1044-1051.

[3] Veziroglu TN， BarbirF.Hydrogen： the wonderfuel[J]. Int J Hydrogen Energy， 1992， 17： 391- 404.

[4] Hoekstra R L， Collier K， Mulligan N， et al. Experimental study of a clean burning vehicle full[J]. Int J Hydrogen Energy， 1995， 20（9）： 737- 745.

[5] 杨振中，师素娟，郭楠，王丽君，裴普成.氢燃料发动机燃烧过程模拟与分析[J].小型内燃机与摩托车，2009，38（01）：76-80.

[6] 赵立峰，于秀敏，钱丁超，董伟，孙平，何玲，杨松.EGR和点火时刻对缸内直喷汽油机排放的影响[J].中国科学：技术科学，2013，43（12）： 1409-1415.