零排放的氢燃料发动机

氢燃料在燃烧过程中产生的主要废气是氮氧化物（NOx），Gamma Technologies公司在最近发布的GT v2022 软件的案例中展示了零排放的氢燃料发动机模型。本文就此介绍了，将空气中的氮气替换成不参与反应的惰性气体来实现零排放。

随着汽车行业对节油、零排放技术的需求日益增加，可再生氢燃料被认为是一种很有前景的汽车储能形式。纯氢燃烧不排放温室气体CO2，而惰性气体可以代替氮消除NOx等环境污染物。因此，氢气燃烧有望同时消除碳排放和其他污染物排放。

此外，较高的比热比可以提高Otto循环的理论热效率，k = Cp / Cv，由下式可以确定，其中CR为压缩比。

因此，使用比热比较高的单原子工作气体如氩气，理论上可取得比以空气(氮气)为工作气体的常规内燃机高得多的热效率。图1给出了理论热效率与工作气体比热比的关系。当压缩比为10时，比热比从k = 1.4提高到k = 1.67，热效率相对提高约30 %。

图1 理论热效率

为了验证GT - SUITE对闭环氩氢发动机进行建模的可行性，Gamma Technologies公司在最近发布的v2022 Build_1中建立并包含了该系统的模型。在示例模型‘Ar-H2 _ CloseCycle _ Engine’中，应用了几个先进的建模概念，包括燃烧产物的冷凝、从系统中除水和半预测的冷凝器模型。氩在系统中循环，氧气通过喷射器对象供给；氢气作为这个系统中唯一的燃料，直接注入发动机缸内。燃烧完成后，废气通过冷凝器将水蒸气转化为液态水，液态水随后从系统中排出。

闭环仿真的一个非常关键的方面是保证稳态解，这需要系统质量守恒。即要求在进入系统的质量和退出系统的质量之间保持平衡。否则，不断变化的系统质量将阻止仿真收敛于稳定的结果。因此，需要对氧气供给和氢气注入进行细致的控制，以保持模拟的稳定性。

图 2 Ar-H2循环发动机模型

实例模型模拟了工作气体中不同氩含量，即氩气与氧气混合物中氩气的比例。缸内气体的热效率和比热比随氩气含量的变化趋势如图3所示，与所述的理论一致。.

图 3 氩气对热效率的影响

本文中讨论的Ar-H2闭式循环发动机模拟，用GT-SUITE中的非预测燃烧模型进行了演示。用户可以类似方法证明的氢/惰性气体发动机模拟，并作为闭式循环发动机模拟的参考示例。和目前广泛应用于汽油机仿真的SI湍流燃烧模型，该课题后续还可进行预测燃烧模型工作。