噴孔直徑對PFI氫內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放特性的影響

張孚，楊振中，靳康，李丹丹，孫永生

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

噴孔直徑對PFI氫內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放特性的影響

張孚，楊振中，靳康，李丹丹，孫永生

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.020

通過對一臺雙孔對置式PFI氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對比分析了不同噴孔直徑下氫內(nèi)燃機(jī)混合氣形成質(zhì)量及缸內(nèi)燃燒和排放特性。結(jié)果表明：隨著噴孔直徑的增加，缸內(nèi)混合氣均勻性系數(shù)逐漸降低，而缸內(nèi)最大壓力、最高溫度、瞬時(shí)放熱率、累積放熱量和NOx排放均呈先增大后減小趨勢。

氫內(nèi)燃機(jī)；噴孔直徑；燃燒；排放

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-53-03

概述

隨著化石能源的日益枯竭以及大氣污染的加速惡化，人類開始不斷開發(fā)高效可再生的清潔能源。氫氣因其擴(kuò)散速度快、著火界限寬、點(diǎn)火能量低、燃燒清潔等優(yōu)點(diǎn)已得到國內(nèi)外廣大學(xué)者的認(rèn)可[1-3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對內(nèi)燃機(jī)燃?xì)溥M(jìn)行了多方面的研究。楊振中[4]等研究了點(diǎn)火提前角對氫內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放性能的影響，研究得出通過優(yōu)化點(diǎn)火提前角可以有效的改善氫內(nèi)燃機(jī)性能。孫柏剛[5]等研究了氫內(nèi)燃機(jī)NOx排放特性，研究得出當(dāng)量比是影響NOx排放的關(guān)鍵因素。Antonella[6]等研究了氫內(nèi)燃機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)NOx的生成機(jī)理。

國內(nèi)外學(xué)者對氫內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行了較多的研究，而少有學(xué)者進(jìn)行噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究。本文針對一臺雙孔沿進(jìn)氣歧管周向均勻分布式PFI氫內(nèi)燃機(jī)，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法重點(diǎn)研究了噴孔直徑對氫內(nèi)燃機(jī)混合氣形成過程及燃燒和排放特性的影響，為氫內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

1、數(shù)學(xué)模型的建立

研究采用一臺單缸四氣門氫內(nèi)燃機(jī)，其連桿長度137mm，缸徑94mm，行程85mm，壓縮比9.7:1。根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)建立主要包括進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣門、氣門座和氣缸的三維幾何模型。分別建立了噴孔直徑為2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm的三維模型，為簡化計(jì)算，并考慮到氣缸和進(jìn)排氣道的對稱性，僅建立了包含半個(gè)進(jìn)排氣道和半個(gè)氣缸的三維模型。

為了使數(shù)值模擬符合實(shí)際工況，本文在模擬時(shí)考慮了邊界條件對工質(zhì)的影響，各邊界條件的設(shè)置如表1所示。缸內(nèi)初始壓力0.11MPa，初始溫度700K。

圖1 氫內(nèi)燃機(jī)計(jì)算網(wǎng)格

表1 邊界條件設(shè)置

2、結(jié)果與分析

研究選取噴氫起始角394oCA，缸內(nèi)平均當(dāng)量比0.67，點(diǎn)火時(shí)刻為710oCA，轉(zhuǎn)速4500r/min。

2.1 對混合氣均勻性的影響

氫氣與空氣混合越充分越利于組織燃燒，因此可以用均勻性系數(shù)來定量評價(jià)混合氣的均勻程度。

圖2 缸內(nèi)混合氣均勻性系數(shù)隨噴孔直徑變化曲線

圖2為點(diǎn)火時(shí)刻的缸內(nèi)混合氣均勻性系數(shù)隨噴孔直徑的變化曲線。由圖2可見，缸內(nèi)混合氣均勻性系數(shù)隨著噴孔直徑的增大而減小，這是因?yàn)樵谙嗤膰娚鋲毫ο?，噴孔直徑越小氫氣射流錐底半徑越小，噴射持續(xù)期越長，氫氣與空氣接觸的機(jī)會(huì)增加，混合越充分，均勻性系數(shù)則越大。

2.2 對缸內(nèi)壓力和溫度的影響

圖3為不同噴孔直徑時(shí)，缸內(nèi)平均壓力和平均燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。由于噴孔直徑2.5mm時(shí)，火花塞附近混合氣濃度較低，火花塞跳火后混合氣未能被點(diǎn)燃。

圖3 不同噴孔直徑時(shí)缸內(nèi)壓力和燃燒溫度變化曲線

圖3可以看出，隨著噴孔直徑的增大，缸內(nèi)最大壓力和最高燃燒溫度均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且都在噴孔直徑4mm時(shí)達(dá)到最大值。這是由于在進(jìn)氣門關(guān)閉前缸內(nèi)混合氣出現(xiàn)倒流回進(jìn)氣道現(xiàn)象，隨著噴孔直徑的增大，回流量越小，缸內(nèi)剩余氫氣質(zhì)量呈上升趨勢。而直徑大于4mm后，缸內(nèi)混合氣的混合均勻性顯著下降，燃燒持續(xù)期增長，對外做功多，致使缸內(nèi)最大壓力和最高溫度也隨之出現(xiàn)大幅下降趨勢。

圖3還可以看出，隨著噴孔直徑的增加，缸內(nèi)最大壓力和最高燃燒溫度出現(xiàn)的時(shí)刻也逐漸滯后，這是由于隨著噴孔直徑的增加，缸內(nèi)混合氣均勻性逐漸降低，混合氣燃燒速度逐漸下降所致。

2.3 對放熱率和放熱量的影響

圖4為不同噴孔直徑時(shí)，缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率和累積放熱量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。從圖4可以看出，隨著噴孔直徑的增大，最大瞬時(shí)放熱率和累積放熱量都呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，且都在噴孔直徑4mm時(shí)達(dá)到最大值，而后出現(xiàn)大幅下降現(xiàn)象。這是由于隨著噴孔直徑的增大，缸內(nèi)混合氣湍動(dòng)能逐漸增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u加快，使得最大瞬時(shí)放熱率和累積放熱量隨著噴孔直徑的增加而增加；噴孔直徑大于4mm以后，由于混合氣的混合均勻性出現(xiàn)顯著地下降，并占據(jù)主導(dǎo)作用，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆?，使得噴孔直徑大?mm后最大瞬時(shí)放熱率和累積放熱量出現(xiàn)逐漸降低趨勢。

圖4 不同噴孔直徑缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率和累積放熱量變化曲線

圖5 NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨噴孔直徑變化曲線

2.4 對排放的影響

圖5為NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨噴孔直徑的變化曲線。由圖5可見，隨著噴孔直徑的增大，NO生成量先增加后急劇下降，且在直徑4mm時(shí)出現(xiàn)峰值。這是因?yàn)樵趪娍字睆叫∮?mm時(shí)，隨著噴孔直徑的增加，缸內(nèi)最大壓力和最高燃燒溫度均逐漸升高，高溫則更有利于NO的生成；噴孔直徑大于4mm后，缸內(nèi)最大壓力和最高燃燒溫度迅速降低，也使得NO生成量急劇減少。

3、結(jié)論

a. 采用雙孔對稱分布的PFI氫內(nèi)燃機(jī)，在4500r/min時(shí)，噴孔直徑越大，點(diǎn)火時(shí)刻混合氣的均勻性越差；而缸內(nèi)最大壓力、最高燃燒溫度、瞬時(shí)放熱率、累積放熱量和NOx排放均出現(xiàn)先升高后下降的趨勢。

b. 噴孔直徑2.5mm時(shí)，在噴氫有效區(qū)間內(nèi)持續(xù)噴氫缸內(nèi)當(dāng)量比最高達(dá)到0.4，混合氣未能被點(diǎn)燃；噴孔直徑4mm時(shí)，氫內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性均達(dá)最優(yōu)，同時(shí)NOx排放也最高。

[1] S.Verhelst. Recent progress in the use of hydrogen as a fuel for internal combustion engines[J]. International Journal of Hydrogen Energy. 2014,39：1071-1085.

[2] Veziroglu T N. Hydrogen movement and the next action：Fossil fuel industry and sustainable economics[J]. International Journal of Hydrogen Energy. 1997,22：551-556.

[3] Fanhua Ma. Effect of compression ratio and spark timing on the power performance and combustion characteristics of an HCNG engine[J]. International Journal of Hydrogen Energy. 2012,37：18486-18491.

[4] 楊振中. 點(diǎn)火提前角對氫發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響及智能控制技術(shù)[J].太陽能學(xué)報(bào). 2003,24(4)：518-522.

[5] Sun Baigang. NOx emission characteristics of hydrogen internal combustion engine[J]. Journal of Beijing Institute of Technology. 2014,23(3)：339-344.

[6] Antonella Ingenito. NOx reduction strategies for high speed hydrogen fueledvehicles[J]. International Journal of Hydrogen Energy. 2015,40：5186-5196.

The effect of injector orifice on combustion and emission characteristics of a PFI hydrogen internal combustion engine

Zhang Fu, Yang Zhenzhong, Jin Kang, Li Dandan, Sun Yongsheng
（North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450011）

A In this paper,based on a symmetric double injector of PFI hydrogen internal combustion engine (HICE) system. And the quality of hydrogen-air mixture、combustion and emission characteristics of hydrogen internal combustion engine under different injector orifice were analyzed by uesing 3D numerical simulation method. It was found that the uniformity coefficient of mixture decrease with the increase of injector orifice, but the maximal pressure and temperature in cylinder, rate of heat release, accumulated heat release and NOx emission increasing first and then decreasing.

hydrogen internal combustion engine; injector orifice; combustion; emission

U467.2

A

A1671-7988(2017)01-53-03

張孚（1991-），男，碩士研究生，就讀于華北水利水電大學(xué)。主要從事汽車清潔能源燃燒與排放優(yōu)化的研究。