热废气再循环降低氢内燃机NOx 排放的机理研究

Hydrogen is an effective energy carrier which can be used in internal combustion engine (ICE). Nitric-oxide(NOx) is the only harmful emmission of hydrogen internal combustion engine (H2ICE) in high load. Exhaust gas reciculation (EGR) has proven to be effective in reducing NOx for H2ICE. However, the mechanism is very different between hydrogen internal combustion engine and traditional internal combustion engine in reducing NOx, for no CO2 could absorb the energy in combustion. When inter cooler EGR is introduced in H2ICE, water vapour will be precooled into liquid water, and many components will be corroded, and also the lubricating oil will be diluted. Therefore, hot EGR is a better way compared with inter cool EGR for H2ICE. In this report, the mixture distribution of hydrogen and air will be studied before and after EGR has been introduced into fresh air. The formation mechanism of NOx in combustion progress will also be further studied with schlieren photography and planar laser induced fluoresence optical testing method and high-proformance simulation softwares platform. The transient change rule of various physics quantities and intermediate products OH & NO in the combustion progress will be recorded and analysed under hot EGR condition. Then, stratery of combustion and NOx controlling method will be prorosed to improve the performance of H2ICE and reducing the NOx emmission.This work will have significent theory value in developping H2ICE with low emmission and high preformance.

氢气是一种有效的能源载体，能够作为优良的内燃机燃料，氮氧化物（NOx）是氢内燃机的唯一有害排放物。采用废气再循环（EGR）可显著降低氢内燃机的NOx 生成，但与传统内燃机基于二氧化碳热惰性的作用机理有本质不同。氢内燃机采用中冷EGR 会导致水蒸汽冷凝，造成零部件腐蚀和润滑油稀释，相比之下，采用热EGR 降低NOx 方式更具应用价值。本申请采用纹影法、PLIF等光学测试方法及高性能仿真分析平台深入研究氢内燃机热EGR 对混合气分布的影响规律、探索缸内燃烧放热规律及NOx 生成特性，获得氢内燃机燃烧过程中缸内各物理量及燃烧中间生成物OH、NO的瞬态变化规律，揭示热EGR 条件下氢内燃机的燃烧机制及对NOx 生成的影响机理，提出氢内燃机燃烧及NOx 控制策略，以实现氢内燃机动力性能及NOx 排放控制水平的全面提升，对高效低排放氢内燃机开发具有重要的理论价值。

本项目构建了定容燃烧测试系统，分别用纹影法和平面激光诱导荧光法（PLIF）研究H2O+N2和N2两种稀释方式下的氢空气燃烧特性。结果表明，两种稀释方式下，氢空气层流燃烧速度、OH自由基瞬时浓度和已燃区温度都随稀释率的增大而显著降低，马克斯坦长度随稀释率的增大而略微降低，表明两种稀释对于降低NO的生成有显著的作用，而H2O+N2稀释的作用更强。在此基础上，基于化学动力学分析软件CHEMKIN研究氢空气燃烧化学反应过程。采用敏感性分析法、生成率分析法和路径分析法对GRI-3.0详尽反应机理进行简化，得到16基元24步反应的简化反应机理，经试验验证简化机理预测的层流燃烧速度和试验值的误差在6.6%以内。为深入分析氢内燃机的燃烧过程，基于CONVERGE软件建立包含喷射模型、湍流模型、点火模型和化学反应动力学简化机理氢内燃机三维仿真模型，该模型可以较为准确的预测循环进气量以及缸内温度、压力以及NO的排放。仿真发现燃烧过程中，火焰前锋面的温度略低于已燃区的温度，而NO的生成和温度紧密相关。火焰传播过程中，已燃区局部温度超过3000K，因而产生了很高浓度的NO区域，随着火焰的传播，NO的总质量不断增大。燃烧结束后，缸内温度迅速降低，NO的质量因部分分解有所降低。在缸内局部最高温度降低至1800K时，NO的分解速率很慢，NO的质量基本保持不变。仿真结果表明，随着EGR率的增大，缸内最高爆发压力迅速下降，同时燃烧持续期增大；缸内温度随着稀释率的增加而迅速减小，进而导致NO浓度迅速降低。完成氢内燃机试验平台的搭建，主要开展了氢燃料光学发动机燃烧可视化研究、氢内燃机供氢系统压力动态特性研究以及氢内燃机NOx排放特性研究。试验研究表明NOx生成主要受燃空当量比、点火提前角和发动机转速影响，热废气再循环可有效降低NOx排放。随着研究的深入还获得了氢内燃机循环变动特性、压缩过程多变指数变化特性、异常燃烧特性等成果。