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、點火模型和化學反應動力學簡化機理氫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、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。