熱廢氣再循環降低氫內燃機NOx 排放的機理研究

《熱廢氣再循環降低氫內燃機NOx 排放的機理研究》是依託北京理工大學，由孫柏剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：熱廢氣再循環降低氫內燃機NOx 排放的機理研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：孫柏剛
• 項目類別：面上項目

項目摘要

氫氣是一種有效的能源載體，能夠作為優良的內燃機燃料，氮氧化物（NOx）是氫內燃機的唯一有害排放物。採用廢氣再循環（EGR）可顯著降低氫內燃機的NOx 生成，但與傳統內燃機基於二氧化碳熱惰性的作用機理有本質不同。氫內燃機採用中冷EGR 會導致水蒸汽冷凝，造成零部件腐蝕和潤滑油稀釋，相比之下，採用熱EGR 降低NOx 方式更具套用價值。本申請採用紋影法、PLIF等光學測試方法及高性能仿真分析平台深入研究氫內燃機熱EGR 對混合氣分布的影響規律、探索缸內燃燒放熱規律及NOx 生成特性，獲得氫內燃機燃燒過程中缸內各物理量及燃燒中間生成物OH、NO的瞬態變化規律，揭示熱EGR 條件下氫內燃機的燃燒機制及對NOx 生成的影響機理，提出氫內燃機燃燒及NOx 控制策略，以實現氫內燃機動力性能及NOx 排放控制水平的全面提升，對高效低排放氫內燃機開發具有重要的理論價值。

結題摘要

本項目構建了定容燃燒測試系統，分別用紋影法和平面雷射誘導螢光法（PLIF）研究H2O+N2和N2兩種稀釋方式下的氫空氣燃燒特性。結果表明，兩種稀釋方式下，氫空氣層流燃燒速度、OH自由基瞬時濃度和已燃鞏嫌充立區溫度都隨稀釋率的增大而顯著降低，馬克斯坦長度隨稀釋率的增大而略微降低，表明兩種稀釋對於降低NO的生成有顯著的作用，而H2O+N2稀釋的作用更強。在此基礎上，基於化學動力學分析軟體CHEMKIN研究氫空氣燃燒化學反應過程。採用少應承敏感性分析法、生成率分析法和路徑分析法對GRI-3.0詳盡反應機理進行簡化，得到16基元24步反應的簡化反應機理，經試驗驗證簡化機理預測的層流燃燒速度和試驗值的誤差在6.6%以內。為深入分析氫內燃機的燃燒過程，基於CONVERGE軟體建立包含噴射模型、湍流模型、點火模型和化學戀習頁碑反應動力學簡化機理氫鞏櫃內燃機三維仿真模型，該模型可以較為準確的預測循環進氣量以及缸內溫度、壓力以及NO的排放。仿真發現燃燒過程中，火焰前鋒面的溫度略低於已燃區的溫度，而NO的生成和溫度緊密相關。火焰傳播過程中，已燃區局部溫度超過3000K，因而產生了很高濃度的NO區域，隨著火焰的傳播，NO的總質量不斷增大。燃燒結束後，缸內溫度迅速降低，NO的質量因部分分解有所降低。在缸內局部最高溫度降低至1800K時，NO的分解速率很慢，NO的質量基本保持不變。仿真結果表明，隨著EGR率的增大，缸內最高爆發壓力迅速下降，同時燃燒持續期增大；缸內溫度隨著稀釋率的增加而迅速減小，進而導致NO濃度迅主淋凳速降低。完成氫內燃機試驗平台的搭建，主要開展了氫燃料光學發動機燃燒可視化研究、院姜采氫內燃機供氫系統壓力動態特性研究以及氫內燃機NOx排放特性研究。試驗研究表明NOx生成主要受燃空當量比、點火提前角和發汽榜再動機轉速影響，熱廢氣再循環可有效降低NOx排放。隨著研究的深入還獲得了氫內燃機循環變動特性、壓縮過程多變指數變化特性、異常燃燒特性等成果。