氣門重疊角對HCNG發動機回火性能的影響

周磊，何義團，袁俊勇，邵毅明

(重慶交通大學交通運輸工程重點實驗室，重慶 400074)

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氣門重疊角對HCNG發動機回火性能的影響

周磊，何義團，袁俊勇，邵毅明

(重慶交通大學交通運輸工程重點實驗室，重慶 400074)

為研究某高壓縮比HCNG發動機的回火特性，進行了發動機回火工況臺架試驗，結合試驗數據，建立HCNG發動機三維仿真模型，對不同氣門重疊角下的回火性能進行仿真計算。試驗與仿真結果表明：壓縮比越高，發動機越容易回火；其他條件不變，較小的點火提前角容易引起回火；原機氣門重疊角較大，壓縮比提高，導致進氣口富氫新鮮充量受熱，這是造成回火的重要原因；隨著氣門重疊角的減小，發動機功率以及最高燃燒壓力降低，當氣門重疊角為0°時，可有效避免回火。

氫發動機； 天然氣發動機； 回火； 仿真； 氣門重疊角

隨著工業的發展和汽車保有量的增加，環境污染日益嚴重，同時，化石燃料的儲量也有限，為減輕環境污染和緩解能源危機，人們迫切需要尋找替代能源和新能源[1]。天然氣摻氫燃料(HCNG)是將氫氣與天然氣按照一定比例混合而成的車用替代氣體燃料[2]。天然氣摻氫后可以提高燃燒速度，拓寬稀燃極限，容易實現稀薄燃燒[3-5]，降低溫室氣體排放[6-8]。因此，天然氣摻氫燃燒發動機將是氫能應用于發動機最有前途和最具可行性的方式[9]。

Huynh等[10]的研究表明，氣門重疊角對回火的影響非常大，通過改變氣門重疊角，并采用增壓技術，不僅消除了回火現象，且發動機的性能等于或優于原汽油機。S.Verhelst等[11]在1臺汽油機上采用連續可變氣門技術(CVVT)，根據發動機工況采用不同的配氣正時，有效防止了摻氫汽油機的回火問題。劉興華、劉福水等[12]的研究表明，當氣門正時固定時，噴氫太早或噴射結束太晚，都會增加回火的可能性，對于進氣道噴射的氫氣發動機，回火是應該首先攻克的技術難關。在此基礎上，段俊法[13-14]利用三維模擬技術研究了進氣道噴射氫內燃機，提出通過優化噴氫相位，使低濃度混合氣在進氣門打開時首先進入氣缸，降低缸內廢氣和熱點溫度，從而抑制回火的方法。

通過已有的試驗研究發現，當壓縮比提高后，HCNG發動機在較低的負荷條件下便發生回火現象[15]。為解決高壓縮比條件下HCNG發動機回火問題，本研究采用減小氣門重疊角的方法，結合試驗數據，利用AVL Fire軟件建立HCNG發動機三維仿真模型，研究配氣相位對高壓縮比HCNG發動機回火特性的影響。

1 試驗裝置與試驗方法

本研究基于一款6缸天然氣發動機，其氣門重疊角為30°，主要技術參數見表1。試驗設備參見文獻[3]。該發動機電控系統采用ITMS-6F電控單元。

表1 原天然氣發動機主要技術參數

課題組前期的試驗研究表明，由于原機的氣門重疊角較大(30°)，將壓縮比提高到11∶1，燃料為天然氣(CNG)時，即使在1 200 r/min轉速下的低負荷(進氣歧管絕對壓力(pamip)為90 kPa)工況，發動機也會發生回火現象；將壓縮比提高到12∶1時，則在進氣歧管絕對壓力為70 kPa條件下便發生回火現象；當燃料為HCNG時，則在更低的負荷時就發生回火現象。

表2列出部分發動機試驗工況。點火提前角從28°BTDC到16°BTDC，間隔2°。工況穩定后，測量缸壓、排放和動力性參數。

表2 發動機試驗工況

通過試驗發現，壓縮比越高發動機越容易發生回火現象。當ε=11，n=1 600 r/min，pamip=90 kPa，θig=16 °，φa=1.6時，發動機發生回火現象，如圖1中星號標記所示。

2 配氣相位優化設計

為了解決高壓縮比條件下HCNG發動機的回火問題，應該盡可能減小氣門重疊角。為此，本研究在原機30°氣門重疊角的基礎上，重新優化設計了兩組配氣方案，氣門重疊角和進排氣門開閉時刻見表3。

表3 配氣相位優化方案

3 仿真模型的建立與驗證

3.1 仿真模型的建立

取ε=11的發動機實體幾何模型，轉換為STL面網格格式導入AVL Fire中，結合原機以及重新設計的兩組氣門升程曲線，利用Fame Engine Plus(FEP)自動網格生成工具，建立發動機整個循環進氣道-氣缸-排氣道的動態計算網格(見圖2)。

針對此計算網格，在Fire中設定求解器(GUI Solver)參數，根據發動機臺架試驗以及一維整機性能仿真模型得到所需的邊界條件。本研究選用的計算模型包括κ-ε雙方程湍流模型、CFM-2A燃燒模型、簡化火花塞點燃模型以及Zeldovich NOx排放模型。

3.2 模型校核與驗證

選擇圖1中的回火工況來驗證模型的準確性，將缸壓模擬值與試驗值進行對比，結果見圖3。由圖3可以看出，模擬結果與試驗結果最大差別出現在壓力峰值處，試驗的最大壓力峰值出現在737°，為3.68 MPa，模擬的最大壓力值出現在738°，為3.51 MPa，誤差為4.8%。模擬結果與試驗結果吻合良好，驗證了模型選取的合理性，同時為后續不同氣門重疊角HCNG發動機模擬計算工作中模型參數的設置也提供了依據。

4 計算結果及分析

針對ε=11的HCNG發動機，在n=1 600 r/min，pamip=90 kPa，θig=16°BTDC，φa=1.6時，研究氣門重疊角對HCNG發動機回火性能的影響。

4.1 氣門重疊角對缸內壓力及功率的影響

圖4示出發動機功率隨氣門重疊角的變化。由圖4可以看出，隨著氣門重疊角的減小，功率呈下降趨勢。不難理解，隨著氣門重疊角的減小(進氣門延遲開啟、排氣門提前關閉)，進入氣缸內的混合氣減少且缸內殘余廢氣增多，從而降低了發動機的做功能力。

圖5示出缸內燃燒壓力隨曲軸轉角的變化。從圖5可看出，隨著氣門重疊角的減小，燃燒壓力峰值明顯降低，且壓力峰值相位也略推遲。這主要是由于隨著氣門重疊角減小，缸內殘余廢氣增多，再加上殘余廢氣對進氣的加熱作用，使得可燃混合氣體充量降低，同時缸內殘余廢氣還對可燃混合氣起到了一定的稀釋作用，因而，著火延遲期增大，火焰傳播速率下降。

4.2 氣門重疊角對缸內流場及溫度分布的影響

分析了360°，362°，364°，368° 4個時刻不同氣門重疊角下缸內流場及溫度變化的情況，其中，切片截面是沿著曲軸軸向方向(見圖6)。

圖7示出不同氣門重疊角下362°曲軸轉角時刻的流場分布。從圖7可看出，最大速度出現在氣門喉口附近，并且排氣道和缸內的廢氣向進氣道回流。這是因為進氣初期排氣道、氣缸與進氣道之間存在較大的壓差(回火工況排氣上止點前缸壓數據見表4，可以發現排氣上止點前缸內壓力均比進氣道壓力大)，從而出現排氣回流到進氣道的現象。隨著進氣門開度的增加，進氣量逐漸增加，進氣道壓力與缸內壓力逐漸趨于一致，排氣倒流現象逐漸減弱。

圖8示出不同氣門重疊角、不同曲軸轉角下進氣道及缸內的溫度分布。結合圖7分析可知，對于原機(氣門重疊角30°)，在排氣沖程上止點位置，進氣口處出現了較為明顯的回火現象。這是由于氣門重疊角較大，對于排氣沖程末端，進排氣門開度均較小，缸內高溫廢氣受活塞擠壓，部分廢氣會被擠壓到進氣口位置，提高了進氣口位置的溫度，使得該處的新鮮充量受熱，加上HCNG燃料中富含氫氣，容易著火，大大增加了回火的可能性。

表4 回火工況缸壓

在3種氣門重疊角下，隨著曲軸轉角的增大(即進氣門開度增大)，缸內新鮮工質逐漸增多，缸內溫度逐漸降低。與此同時由于活塞處于下行階段，缸內壓力逐漸降低，也會使缸內溫度下降。

在0°氣門重疊角下缸內溫度最高。這是因為當氣門重疊角為0°時(排氣門剛關閉、進氣門剛打開)，與14°和30°重疊角下進氣門提前打開相比，進入缸內的新鮮工質幾乎為0，因此缸內溫度較高。

隨著氣門重疊角的逐漸減小，進氣門處新鮮工質也逐漸減少。當氣門重疊角為0°時，盡管此時缸內高溫廢氣向進氣道回流(見圖7c)，但由于進氣門處新鮮工質幾乎為0，從而有效避免回火的發生。

5 結論

a) 臺架試驗表明，壓縮比越高，發動機越容易回火；其他條件不變，較小的點火提前角容易引起回火；

b) 仿真結果表明，氣門重疊角較大時，壓縮比提高，導致缸內高溫廢氣受活塞擠壓，部分廢氣會被擠壓到進氣口位置，提高該位置的溫度，使得此處的新鮮充量受熱，HCNG燃料中富含氫氣，容易著火，這是造成回火發生的重要原因；

c) 隨著氣門重疊角的減小，發動機功率降低，燃燒壓力也隨之降低，當氣門重疊角為0°時，可有效避免回火的發生。

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[編輯：袁曉燕]

Influence of Valve Overlap on HCNG Engine Backfire

ZHOU Lei, HE Yi-tuan, YUAN Jun-yong, SHAO Yi-ming

(Key Laboration of Traffic & Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In order to research the backfire performance of HCNG engine with high compression ratio, the bench test of backfire conditions was carried out.The 3D model of HCNG engine was built based on the test data and the backfire characteristics under different valve overlaps were simulated.The test and simulation results show that the backfire phenomenon is easier to occur for the engine with higher compression ratio.In addition, smaller ignition timing can easily cause backfire with other operating conditions unchanged.The large valve overlap improves compression ratio so that the enriched hydrogen is heated, which is an important factor for backfire.The engine power and maximum combustion pressure decrease with the decrease of valve overlap and the backfire phenomenon can be avoided when the valve overlap is 0°.

hydrogen engine; compressed natural gas engine; backfire; simulation; valve overlap

2014-08-25；

2015-01-04

國家“863”基金項目(2012AA111718)

周磊(1990—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機代用燃料及性能模擬；15215060695@163.com。

何義團(1977—)，男，教授，博士，主要研究方向為內燃機代用燃料；heyituan@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.009

TK421.3

B

1001-2222(2015)02-0045-04