噴孔面積對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣以及缸內(nèi)溫度和廢氣分布的影響

胡樂磊

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011）

隨著燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)研究的日益深入， 解決燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)早燃回火等異常燃燒問題已經(jīng)成為燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)研究的重中之重。 進(jìn)氣道噴射氫發(fā)動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改裝相對(duì)容易，成為實(shí)驗(yàn)研究的首選。

氫內(nèi)燃機(jī)早燃回火是氫內(nèi)燃機(jī)異常燃燒的重點(diǎn)，大部分學(xué)者認(rèn)為缸內(nèi)的高溫殘余廢氣和高溫?zé)狳c(diǎn)是造成回火的主要原因[1-2]。 因此研究噴孔面積對(duì)進(jìn)氣初期進(jìn)氣道氣體濃度以及缸內(nèi)廢氣和高溫區(qū)的分布的影響， 對(duì)燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)的回火研究有重要意義。

利用AVL-fire 進(jìn)行計(jì)算[3]，通過仿真獲得噴孔面積對(duì)進(jìn)氣過程、燃燒過程的影響，從而獲得改變噴射結(jié)構(gòu)抑制回火的途徑。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

本文以嘉陵JH600 發(fā)動(dòng)機(jī)為原型， 用SolidWorks 建立三維仿真模型。

圖1 三維計(jì)算網(wǎng)格

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在建立仿真模型時(shí)，考慮氣缸和進(jìn)氣管的對(duì)稱性，建立了僅包含半個(gè)進(jìn)氣管（雙噴孔）、半個(gè)氣缸和半個(gè)排氣管的三維計(jì)算網(wǎng)格。 圖1 所示噴孔直徑為3mm 的三維計(jì)算網(wǎng)格（其余模型網(wǎng)格不再一一列出）。

表1 內(nèi)燃機(jī)參數(shù)Tab.1 Engine parameters

1.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)定[4]

實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)噴氫壓力處于0.2-0.4MP 之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常啟動(dòng)， 所以本文將氫氣噴射壓力設(shè)定為0.3Mpa。 進(jìn)氣溫度、壓力、流量等初始條件通過試驗(yàn)測(cè)定，傳熱系數(shù)、摩擦因數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，其他初始條件和邊界條件參考經(jīng)驗(yàn)值選取。 轉(zhuǎn)速為最大扭矩轉(zhuǎn)速4500r·min-1，空氣進(jìn)氣溫度為305K，進(jìn)口壓力為0.1MPa，氫氣噴入溫度為300K，進(jìn)氣道溫度為390K，排氣道溫度為455K，氣缸的壁面溫度為440K，燃燒室的壁面溫度為576K，氣缸表面溫度為576K。 初始?jí)毫Ω變?nèi)為0.15MPa，初始溫度為810K。 進(jìn)氣門打開時(shí)間341-605°曲軸轉(zhuǎn)角，排氣門打開時(shí)間867-1103°曲軸轉(zhuǎn)角（本文只計(jì)算341°-1061°兩次進(jìn)氣門開啟之間的工作循環(huán)）。

由于當(dāng)量燃空比大于0.6 時(shí)，氫發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的回火，難以正常工作，因此以轉(zhuǎn)速4500r·min-1、當(dāng)量燃空比0.6 表征高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷。 算例參數(shù)如表2 所示。

表2 算例參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 噴孔面積對(duì)進(jìn)氣初期進(jìn)氣道內(nèi)氫氣濃度變化的影響

進(jìn)氣道噴射氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道回火產(chǎn)生的主要原因是進(jìn)氣初期進(jìn)氣道較濃的氫氣混合氣被回流的高溫廢氣及進(jìn)氣門附近熱點(diǎn)引燃。 在進(jìn)氣初期，降低進(jìn)入進(jìn)氣道混合氣的濃度可以在一定程度降低發(fā)生回火的幾率。

本文以3mm、4mm、5mm、6mm 噴孔直徑為例，保證噴氫開始時(shí)刻相同均為400°CA， 在缸內(nèi)噴入燃料的質(zhì)量、濃度相同的前提下， 對(duì)進(jìn)氣過程中進(jìn)氣道氫氣的濃度變化進(jìn)行模擬分析。 其進(jìn)氣道氫氣濃度變化如圖2 所示，進(jìn)氣道內(nèi)速度場(chǎng)的分布如圖3 所示。

在進(jìn)氣初期，由于噴射壓力相同，隨著噴孔面積的增大，進(jìn)氣道氫氣濃度急劇增加。隨著噴孔面積增大，進(jìn)氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的速度有所增加，致使部分氫氣積存在進(jìn)氣道內(nèi)不能快速進(jìn)入汽缸內(nèi)，也導(dǎo)致進(jìn)氣道內(nèi)混合氣濃度增加過快。發(fā)動(dòng)機(jī)在氣門重疊初期，由于缸內(nèi)壓力、溫度相對(duì)很高，部分高溫廢氣會(huì)回流到進(jìn)氣道，在進(jìn)氣初期進(jìn)氣道氫氣濃度急劇升高，濃度較高的混合氣則更容易被高溫回流的廢氣點(diǎn)燃，造成回火。在噴射時(shí)刻相同、工況相同的情況下，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量需求的前提下，減小噴孔直徑將降低進(jìn)氣道噴射氫內(nèi)燃機(jī)回火發(fā)生的概率。

圖2 進(jìn)氣初期進(jìn)氣道氫氣濃度

2.2 噴孔面積對(duì)缸內(nèi)廢氣和溫度分布的影響

對(duì)于進(jìn)氣道噴射氫內(nèi)燃機(jī)回火， 大多數(shù)研究認(rèn)為是由于在進(jìn)氣過程中缸內(nèi)高溫廢氣回流進(jìn)入進(jìn)氣道， 因此研究進(jìn)氣門打開時(shí)缸內(nèi)特別是進(jìn)氣門附近高溫區(qū)、 高廢氣區(qū)的分布對(duì)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)回火趨勢(shì)有重要意義。

圖3 進(jìn)氣初期420°CA 時(shí)刻進(jìn)氣道速度場(chǎng)

本文分別對(duì)3mm、4mm、5mm、6mm 噴孔直徑對(duì)缸內(nèi)溫度以及缸內(nèi)廢氣分布的影響進(jìn)行仿真， 得到了溫度以及缸內(nèi)廢氣分布，如圖4 所示，得到噴孔面積對(duì)缸內(nèi)溫度以及缸內(nèi)廢氣分布的影響規(guī)律。

圖4 進(jìn)氣門打開時(shí)缸內(nèi)溫度和廢氣分布圖

從圖4 可以明顯比較出缸內(nèi)高溫度區(qū)、 高廢氣區(qū)分布的重合度，隨噴孔直徑的增加其重合度逐漸增加，隨噴孔直徑的增加，進(jìn)氣門打開時(shí)進(jìn)氣門附近溫度升高，并且進(jìn)氣門處廢氣濃度隨噴孔直徑的增大而增大。 過多的廢氣聚集在進(jìn)氣門處，勢(shì)必造成高溫的廢氣回流到進(jìn)氣道，進(jìn)氣道溫度過高，容易引起回火。

3 結(jié)論

3.1 噴孔面積的改變主要對(duì)進(jìn)氣過程影響較大，合適的噴孔直徑在一定程度上會(huì)抑制回火條件的形成。 噴孔直徑過大和過小都不利于進(jìn)氣道噴射氫內(nèi)燃機(jī)的正常燃燒。

3.2 噴孔面積的增大導(dǎo)致缸內(nèi)高溫區(qū)面積增大，并且使高溫區(qū)域更加靠近進(jìn)氣門，對(duì)抑制回火是不利的。

3.3 噴孔面積增加，使得進(jìn)氣門打開時(shí)，進(jìn)氣門附近聚集較濃的高溫廢氣，對(duì)抑制發(fā)動(dòng)機(jī)回火也是不利的。

［1］楊振中.氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與優(yōu)化控制[D].杭州:浙江大學(xué)，2001.

［2］陳韜.汽油機(jī)低溫高效燃燒中缸內(nèi)溫度-廢氣率耦合控制研究［D］.天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2010.

［3］楊光. 基于AVL_FIRE 的氫發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程分析［D］.鄭州:華北水利水電大學(xué)，2013.

［4］段俊法. 進(jìn)氣道燃料噴射氫內(nèi)燃機(jī)回火機(jī)理與控制研究［D］.北京:北京理工大學(xué)大學(xué)，2013.