王凱心

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

噴氫壓力對PFI氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣及燃燒過程的影響

王凱心

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

文章以一臺(tái)單缸四氣門進(jìn)氣道噴射式氫內(nèi)燃機(jī)為對象，利用數(shù)值模擬的方法研究分析了噴氫壓力對氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣及燃燒過程的影響。結(jié)果表明：隨著噴氫壓力的增大，缸內(nèi)混合氣均勻性，瞬時(shí)放熱率，缸內(nèi)最大壓力，最高燃燒溫度均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。適當(dāng)提高噴氫壓力有利于改善氫內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣和燃燒過程，但過高的噴氫壓力會(huì)引起進(jìn)氣道內(nèi)新鮮空氣倒流。

氫內(nèi)燃機(jī)；進(jìn)氣道噴射；噴氫壓力；燃燒

前言

隨著能源危機(jī)，全球變暖以及環(huán)境污染三方面壓力的加劇，尋求和發(fā)展清潔、安全可靠的替代燃料勢在必行。氫氣以其高效、清潔、可再生的特點(diǎn)成為較為理想的替代燃料。與傳統(tǒng)化石燃料相比，氫氣具有可燃范圍寬，點(diǎn)火能量小，燃燒速度快等優(yōu)點(diǎn)。氫內(nèi)燃機(jī)的混合氣形成方式主要有進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種，其中進(jìn)氣道噴射方式排放少，成本低，改造簡單，因而被廣泛采用[1-2]。然而氫氣為氣態(tài)且密度低，其體積基準(zhǔn)低熱值較低（氫氣為 10.2MJ/m3，汽油為216.4MJ/m3），采用進(jìn)氣道噴射，氫氣在進(jìn)氣道內(nèi)膨脹，發(fā)動(dòng)機(jī)容積效率下降，導(dǎo)致氫發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下降[3-4]。

針對這一問題，Rahman[5]等研究發(fā)現(xiàn)氫發(fā)動(dòng)機(jī)體積效率隨空燃比和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大。S. Verhelst[6]等研究采用進(jìn)氣增壓與 EGR相配合提高了進(jìn)氣道噴射式氫內(nèi)燃機(jī)的功率輸出。Jongtai Lee[7]等研究通過控制氣門正時(shí)與增壓稀燃改進(jìn)了氫內(nèi)燃機(jī)的性能。而噴射系統(tǒng)也是影響氫內(nèi)燃機(jī)性能的重要環(huán)節(jié)，其中噴氫壓力是氫氣噴射的關(guān)鍵參數(shù)，其一方面控制著單位時(shí)間內(nèi)噴射的氫氣量，另一方面也決定了氫氣噴射的初速度，對氫內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣過程有著重要影響。因此，本文以一臺(tái)單缸氫發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合AVL FIRE軟件利用數(shù)值模擬的方法研究了不同噴氫壓力對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣及燃燒過程的影響。

1 模型及研究方法

1.1 幾何模型及計(jì)算網(wǎng)格

本文以一臺(tái)四氣門進(jìn)氣道噴射式單缸氫發(fā)動(dòng)機(jī)為對象建立模型，其缸徑94mm，行程85mm，壓縮比9.7:1。為了簡化計(jì)算，考慮氣缸和進(jìn)排氣道的對稱性，在建立三維模型時(shí)，以過氣缸軸線和鼻梁區(qū)中心的平面為對稱面，建立了包含半個(gè)穩(wěn)壓箱、半個(gè)進(jìn)排氣道和半個(gè)氣缸的三維模型。數(shù)值模擬計(jì)算借助三維CFD軟件AVL FIRE完成，為提高精確度，對噴孔、氣門和氣門座附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密細(xì)化，同時(shí)兼顧計(jì)算速度，最終網(wǎng)格數(shù)約為 50萬，生成的動(dòng)網(wǎng)格如圖 1所示。計(jì)算中，定義發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣上止點(diǎn)為 360°CA（Crank Angle），燃燒上止點(diǎn)為 720°CA，整個(gè)工作循環(huán)包括氣門疊開（351°CA～394°CA），進(jìn)氣（394°CA～634°CA），壓縮做功（634°CA～866°CA），排氣（866°CA～1071°CA）四個(gè)時(shí)期。湍流模型選擇κ-ζ-f四方程模型，同時(shí)采用SIMPLE算法來求解速度場和壓力場的耦合。

圖1 氫內(nèi)燃機(jī)計(jì)算網(wǎng)格

1.2 邊界條件和初始條件

為了提高模擬的準(zhǔn)確性，使模擬與實(shí)際工況更為相符，本研究考慮了邊界條件和初始條件對工質(zhì)的影響，所采用的邊界條件和初始條件均取經(jīng)驗(yàn)值。具體為：進(jìn)氣道溫度、壓力分別為300K、0.1MPa，燃燒室溫度、壓力分別為950K、0.108MPa，排氣道溫度、壓力分別為 900K、0.106MPa，氣缸壁溫480K，氣缸蓋壁溫600K，活塞表面溫度600K。

1.3 模擬方案

計(jì)算中缸內(nèi)燃空當(dāng)量比為0.68，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/min。采用單路噴射方式，噴孔位于進(jìn)氣道的鼻梁處，直徑5mm。在394°CA開始噴氫，噴氫壓力分別取0.25MPa，0.3MPa，0.35MPa，0.4MPa，0.45MPa共5組進(jìn)行考察。

2 結(jié)果與分析

2.1 對進(jìn)氣道空氣進(jìn)口質(zhì)流量的影響

圖2反映了進(jìn)氣道空氣進(jìn)口質(zhì)流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。其中負(fù)值代表空氣流入進(jìn)氣道，正值代表流出。

圖2 空氣進(jìn)口質(zhì)流量隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

從圖2可以看出，當(dāng)從394°CA開始噴氫后，空氣進(jìn)口質(zhì)流量均會(huì)迅速下降，這主要是由于氫氣密度小，擴(kuò)散系數(shù)大，進(jìn)入進(jìn)氣道后迅速膨脹，占據(jù)了進(jìn)氣道的空間，對新鮮空氣的進(jìn)入造成了一定的阻礙。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴氫壓力的升高，空氣進(jìn)口質(zhì)流量下降速度加快，但波動(dòng)情況逐漸減少。當(dāng)噴氫壓力達(dá)到 0.4MPa后，在噴氫中后期出現(xiàn)了新鮮空氣的倒流出進(jìn)氣道的現(xiàn)象，且隨著噴氫壓力的繼續(xù)增大，新鮮空氣倒流時(shí)的質(zhì)流量增大，持續(xù)期變長。

2.2 對混合氣均勻性的影響

缸內(nèi)氫氣與空氣混合的越均勻越有利于火焰的傳播。氫氣與空氣混合的均勻程度既受進(jìn)氣過程的影響，同時(shí)又影響著后續(xù)燃燒過程的進(jìn)行，因此觀察缸內(nèi)混合氣的均勻性并用混合氣均勻性系數(shù)加以評定。

圖3 缸內(nèi)混合氣均勻性系數(shù)隨噴氫壓力變化曲線

圖3為在點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣均勻性系數(shù)隨噴氫壓力的變化曲線。從圖3可以看出，隨著噴氫壓力的增大，混合氣均勻性系數(shù)曲線先上升且升幅逐漸趨緩，在噴氫壓力超過0.4MPa后又急劇下降。這主要是由于隨著噴氫壓力的增大，氫氣會(huì)以更高的初速度噴出，高速氫氣加大了混合氣的流動(dòng)速度，增大了缸內(nèi)混合氣的湍流強(qiáng)度，使氣體混合更為均勻。但同時(shí)增大噴氫壓力也增大了氫氣的質(zhì)流量，使得進(jìn)氣道內(nèi)局部氫氣濃度升高，一定程度上阻礙了新鮮空氣的流入，增長了氫氣與空氣的混合時(shí)間，所以過高的噴氫壓力反而導(dǎo)致混合氣均勻性系數(shù)降低。

2.3 對燃燒放熱的影響

圖4給出了不同噴氫壓力下，缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況?？梢钥闯?，隨著噴氫壓力的增大，最大瞬時(shí)放熱率先增大后減小，在 0.4MPa達(dá)到最大值。同時(shí)最大瞬時(shí)放熱率對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也隨噴氫壓力的增大先提前后延后，在 0.4MPa時(shí)瞬時(shí)放熱率最先達(dá)到峰值。這是因?yàn)殡S著噴氫壓力的增大，缸內(nèi)混合氣湍流運(yùn)動(dòng)加劇，均勻性升高，提高了點(diǎn)火后火焰的傳播速率。而當(dāng)噴氫壓力超過 0.4MPa后，缸內(nèi)混合氣均勻性降低，火焰?zhèn)鞑ニ俾蕼p慢，達(dá)到瞬時(shí)放熱率峰值的曲軸轉(zhuǎn)角也相應(yīng)延后，最大瞬時(shí)放熱率降低。

圖4 不同噴氫壓力下缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率變化曲線

圖5 不同噴氫壓力下缸內(nèi)壓力和溫度變化曲線

2.4 對缸內(nèi)壓力和溫度的影響

圖5反映了不同噴氫壓力下，缸內(nèi)平均壓力和平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。從圖中可以看出，隨著噴氫壓力的增大，缸內(nèi)平均壓力和平均溫度均先增大后減小，且在0.4MPa達(dá)到最大值。這是由于噴氫壓力較小時(shí)缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)較弱，在進(jìn)氣過程后期缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)較弱的混合氣易受擠壓而從缸內(nèi)回流入進(jìn)氣道，造成缸內(nèi)氫氣量的減少，隨著噴氫壓力的增大，缸內(nèi)混合氣湍流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，回流現(xiàn)象減弱。另一方面，噴氫壓力大于4MPa后，過大的噴氫壓力降低了缸內(nèi)混合氣的均勻性，火焰?zhèn)鞑ニ俾式档?，增長了燃燒持續(xù)期，從而造成了缸內(nèi)壓力和溫度的降低。同時(shí)從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴氫壓力的增大，達(dá)到壓力和溫度峰值點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角先逐步提前后延后，這也是不同噴氫壓力下的混合氣均勻性先增大后減小導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俾氏燃涌旌鬁p慢所致。

3 結(jié)論

（1）對于PFI氫內(nèi)燃機(jī)，在進(jìn)氣過程中，提高噴氫壓力，一方面加快混合氣流動(dòng)，增強(qiáng)缸內(nèi)混合氣的湍流運(yùn)動(dòng)，使氣體混合更為均勻；另一方面也會(huì)對進(jìn)氣管內(nèi)新鮮空氣的流入形成阻礙，過高的噴氫壓力還會(huì)造新鮮空氣倒流。

（2）隨著噴氫壓力的增大，缸內(nèi)混合氣均勻性，瞬時(shí)放熱率，缸內(nèi)最大壓力，最高燃燒溫度均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，當(dāng)噴氫壓力為0.4MPa時(shí)，氫發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能最優(yōu)。適當(dāng)提高噴氫壓力有利于改善氫發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣和燃燒過程。

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The effect of hydrogen injector pressure on intake and combustion process of PFI hydrogen internal combustion engine

Wang Kaixin
（North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045）

In this paper, the effect of hydrogen injection pressure on the intake and combustion process of hydrogen internal combustion engine was studied by means of numerical simulation method with a single-cylinder four-valve port fuel injection hydrogen engine. The results show that with the increase of hydrogen injection pressure, the uniformity coefficientof the mixture, the heat release rate, the maximum pressure and combustion temperaturein the cylinder show a tendency to increase first and then decrease. Appropriate increase in hydrogen pressure is conducive to improving the hydrogen engine intake and combustion process, but too high hydrogen pressure will cause the intake of fresh air backflow.

hydrogen internal combustion engine; port injection; hydrogen injection pressure; combustion

TK46

A

1671-7988(2017)22-98-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.035

王凱心（1992.1-），男，碩士研究生，就讀于華北水利水電大學(xué)。研究方向：清潔能源車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒優(yōu)化設(shè)計(jì)。

CLC NO.:TK46

A

1671-7988(2017)22-98-03