喷氢策略对氨内燃机混合气形成及燃烧影响的仿真研究

作     者：朱琦 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于秀敏

授予年度：2024年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：氢氨双燃料内燃机 缸内直喷策略 燃烧排放性能 仿真研究 

摘      要：应用低碳或零碳燃料是内燃动力领域解决碳排放问题的主要手段之一。碳中和背景下氨氢是十分有前景的零碳燃料。氨气与氢气的理化性质互补,氢气可以促进氨气的燃烧过程,改善氨燃料的燃烧惰性。使用氨气进气道喷射/氢气缸内直喷的复合喷射技术,可以基于工况灵活地调整氢气直喷策略,实现不同掺氢比及混合气分布状态,调控氨氢燃烧过程。为此,本文通过在CONVERGE三维仿真软件中模拟不同直喷氢气比例、直喷氢气时刻及直喷氢气压力下氨内燃机混合气形成过程及燃烧过程,明确氨氢双燃料内燃机的混合气形成规律及其与燃烧排放的内在关系,最终给出适宜的喷射策略以解决氨燃料着火难、燃烧慢、NOx排放增多的问题。主要研究工作及结论如下: （1）对氨氢内燃机混合气演变及燃烧历程进行了研究。氨气于点火前已经形成了均匀的混合气。缸内的气流运动主要以大尺度滚流为主,在燃烧室壁面的影响下滚流尺度及滚流中心不断变化。压缩阶段前期,缸内部分区域出现了不同尺度大小的涡团,但随着活塞上行转化为不规则湍流使缸内气流运动速度提升。氢气的扩散混合过程主要由缸内大尺度滚流运动主导。点火后,缸内温度迅速升高,高温可以促进燃料分解产生OH自由基,加快火焰传播过程。NO首先在火焰带下游的低温区域生成,随着燃烧进一步进行,高温区的NO浓度逐渐升高。速燃期NO的分布与OH自由基分布呈现强关联性,径向的NO局部浓区与氢气稀薄区分布有一致性。NO2及N2O在燃烧初始阶段于低温区域快速生成,NO2的生成速度快于N2O。 （2）对直喷氢气比例对混合气形成及燃烧过程的影响进行了研究。直喷氢气比例增高,缸内氢气浓度及分布均匀度整体提升。缸内最高压力Pmax增大,最高压力出现的角度APmax提前;放热率峰值增加,燃烧的等容度增加;最高燃烧温度Tmax增加,最高燃烧温度出现的角度ATmax提前,温度升高速度加快。NH3及N2O排放逐渐降低,NOx排放逐渐升高。NOx排放与NH3及N2O排放有明显的trade-off关系。7%及17%直喷氢气比例下,缸内氢气浓度低,燃烧持续期明显延长,NH3及N2O排放大幅增多。27%直喷氢气比例下,混合气分布开始呈现出分层状态。喷氢气比例达到47%后,点火前形成了均匀的氨氢混合气。直喷氢气比例大于37%后NOx的增加幅度明显升高。直喷氢气比例27%时,可以使氨氢内燃机的燃烧及排放性能都保持在较佳水平。 （3）对直喷氢气时刻对混合气形成的影响进行了研究。应用复合喷射技术,通过改变直喷氢气时刻可以灵活地组织缸内的混合气分布,使混合气呈现不同的分布状态。300°CA BTDC及240°CA BTDC喷射时,点火前缸内形成了均质混合气。晚期喷射时适当推迟喷射时刻有助于在火花塞周围形成氢气局部浓区,改善点火过程。140°CA BTDC喷射时,氢气在燃烧室顶部聚集且在火花塞处浓度较高,缸内其余区域氢气浓度适中,有助于火焰传播过程。早期喷射可形成均质混合气,Pmax及放热率峰值高,有助于提升燃烧热效率,晚期喷射可形成火花塞附近较浓的分层混合气,火焰发展期SIT-CA10缩短,有助于提升点火可靠性。 （4）对直喷氢气时刻对发动机燃烧及排放的影响进行了研究。早期喷射时,随着直喷氢气时刻提前,Pmax升高,放热率峰值增大,Tmax升高,ATmax提前。缸内燃烧状态改善,后燃期缩短。NOx排放先减少后增多,N2O与NH3排放呈现单调上升的趋势。晚期喷射时,随着直喷氢气时刻的推迟,Pmax先升后降,放热重心先提前后推迟,Tmax先升后降,ATmax先提前后推迟。NOx排放先增多后减少,NH3先减少后增多,N2O单调增加。NOx的变化趋势与Tmax的变化趋势没有呈现出一致性。混合气趋于均质分布时,缸内NO排放主要受高温影响。混合气的均匀度下降,会导致燃烧初期产生的燃料型NO增多,同时燃烧温度下降,热力型NO减少,两种变化趋势会有所抵消。140°CA BTDC喷射时可以使缸内NH3、NOx、N2O排放均维持在较低水平。 （5）对直喷氢气压力对混合气形成及燃烧过程的影响进行了研究。直喷氢气压力增加,点火前气缸内氢气浓度分布均匀性略有改善,整体的混合气混合过程十分相似,增大直喷氢气压力不会对混合气的形成过程产生关键性的影响。不同直喷氢气压力下的缸压及放热率曲线几乎重合,当直喷氢气压力为11MPa时,缸压峰值与放热率峰值略有升高。随直喷氢气压力的增大NOx排放先降后升,N2O与NH3先升后降。11MPa喷射压力下,燃烧排放综合性能较优。