高壓縮比HCNG發動機回火工況三維仿真分析

何義團，周 磊，袁俊勇，邵毅明，鄧 彪

(重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074)

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高壓縮比HCNG發動機回火工況三維仿真分析

何義團，周 磊，袁俊勇，邵毅明，鄧 彪

(重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074)

為研究某高壓縮比HCNG發動機回火機理，進行了發動機回火工況臺架試驗。結合試驗數據，利用AVL-Fire軟件建立HCNG發動機三維仿真模型，對回火工況進行仿真計算。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；由于氣門重疊期較大，壓縮比提高，導致高溫廢氣回流到進氣道，這是造成回火的原因之一；排氣沖程末端的無效點火，使得進氣門附近的溫度進一步提高，加大了回火的趨勢。

車輛工程；HCNG發動機；回火；三維仿真；壓縮比

氫氣是一種清潔可再生燃料，但由于氫氣燃燒溫度高可能會產生大量NOX排放，因此控制NOX排放成為目前研究氫內燃機的一個主要方向[1-2]。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氣體燃料。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]，降低溫室氣體排放[4-5]。因此，天然氣摻氫燃燒發動機將是氫能在燃燒發動機上應用最有前途和最具可行性的方式[6]。

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。為了研究高壓縮比條件下HCNG發動機的回火機理，結合試驗數據，利用AVL-Fire軟件分別建立壓縮比為10，11的HCNG發動機三維仿真模型，對回火工況進行仿真計算，從而分析高壓縮比條件下HCNG發動機回火機理，為HCNG發動機的開發提供一定的理論優化依據。

1 回火工況試驗與分析

試驗用原機為天然氣發動機，主要技術參數見表1，試驗設備參見文獻[7]。該發動機電控系統采用DELPHI公司ITMS-6F電控單元，該電控系統采用了兩缸同時點火的無分電器點火技術，分組的兩氣缸同時點火的時候，其中一缸是在接近壓縮上止點時發火(有效點火)，另一缸是在接近排氣上止點時發火(無效點火)[8]。

表1 天然氣原發動機主要性能參數

表2顯示了不同壓縮比發動機試驗工況。點火提前角從28°CA BTDC變到16°CA BTDC，間隔2°CA BTDC。工況穩定后，測量缸壓、排放和動力性參數。

表2 不同壓縮比發動機試驗工況

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

圖1 功率隨點火提前角變化曲線

2 仿真模型建立及驗證

2.1 HCNG發動機三維仿真模型的建立

從發動機Pro/E裝配模型里取出單個缸體的計算域，分別建立ε=10，11時發動機整個循環幾何模型。共分為4種(圖2)：①進氣道+排氣道+氣缸(氣門重疊期)；②進氣道+氣缸(進氣門開，排氣門關)；③氣缸(進、排氣門均關)；④排氣道+氣缸(進氣門關，排氣門開)。轉換為STL面網格格式導入AVL-Fire中，再利用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。

采用Fire中的GUI Solver做燃燒模擬。根據發動機臺架試驗得到模擬所需的邊界條件，主要邊界條件見表3。筆者選用k-ε雙方程模型作為湍流模擬、CFM-2A模型作為燃燒模擬、簡化火花塞點燃模型作為點火模型以及Zeldovich NOxModel (AVL)作為NOx排放模擬。

圖2 不同曲軸轉角度數時的體網格

Table 3 Boundary conditions/K

2.2 模型驗證

為了驗證模型的準確性，選擇2種典型工況，具體數據見表4。為了保證模擬計算的精度以及加速收斂速度，這就要求初始條件的設定需要與計算工況相匹配，并盡量與實際相接近。

表4 工況點數據

將工況1和工況2的模擬缸壓值與試驗值進行對比，如圖3。2種工況的模擬值與試驗值的誤差均小于5%，模擬缸壓最大值比試驗缸壓略低。因為幾何模型、進氣過程計算及經驗性的燃燒模型等緣故，誤差在所難免，但趨勢基本符合，這說明此模型基本適用于HCNG發動機缸內混合氣形成和燃燒的三維模擬研究。

圖3 工況1和工況2缸壓曲線

3 模擬計算結果及分析

為了研究壓縮比對回火過程的影響，分析工況1和工況2缸內溫度和流場分布情況，選取355，360°CA兩個曲軸轉角為代表。其中切片截面是沿著曲軸軸向方向，如圖4。

圖4 切片截面方向

3.1 壓縮比對回火過程的影響

在氣門重疊期，氣道及缸內流動的變化較為劇烈，圖5給出了工況1和工況2在355°CA曲軸轉角下進、排氣道及缸內速度矢量流場截面圖。從圖5可以看出，最大速度出現在氣門喉口處附近，并且排氣道和缸內的廢氣向進氣道中倒流，如圖5(c)。這是因為氣門重疊期較大，并且進氣初期排氣道、氣缸與進氣道之間存在較大的壓差，從而出現了排氣回流到進氣道中的現象。隨著進氣門開度的增加，進氣量逐漸增加，進氣道與缸內壓力逐漸趨于一致，排氣倒流現象逐漸減弱。還可以發現進氣初期回流氣體沿著進氣門桿壁流動，并且進氣門桿壁附近流速較大，這是因為進氣初期進氣門開度較小(355°CA，0.567 mm)，并且缸內壓力比進氣道壓力高，此時進氣門桿壁起到了導流的作用。

圖5 工況1和工況2在355°CA曲軸轉角下流場分布

圖6給出了工況1和工況2在360°CA曲軸轉角下進、排氣道及缸內溫度場的軸向截面圖。從圖6中可以看出，工況2缸內和排氣道溫度比工況1高，并且在進氣門進口處出現了回火現象。這是因為進氣初期活塞處于排氣壓縮沖程末端，且進、排氣門開度均較小，壓縮比越大，缸內廢氣受擠壓程度越高，從而提高了缸內溫度；隨著高溫廢氣回流到進氣道中，使新鮮工質受熱達到著火界限，從而大大增加了回火的可能性。

圖6 工況1和工況2在360°CA曲軸轉角下溫度分布

3.2 無效點火對回火過程的影響

結合ITMS-6F電控單元的工作原理，當試驗工況點火提前角為16°CA BTDC時，可以計算出無效點火的曲軸轉角度數為344°CA。圖7給出了工況2在360°CA曲軸轉角下進、排氣道及缸內溫度場的軸向截面圖。圖7(a)不考慮無效點火的影響，圖7(b)考慮無效點火的影響。可以看出，圖7(b)中進氣門處出現了回火現象。這是因為當發生無效點火時產生高能火花，使進氣門附近溫度升高，隨著排氣道和缸內高溫氣體向進氣道中回流，回流氣體將高能火花吹入進氣道中，從而增加新鮮工質被點燃發生回火的可能性。

圖7 工況2在360°CA曲軸轉角下溫度分布

通過圖7可以看出，高壓縮比條件下HCNG發動機回火是壓縮比和無效點火共同作用的結果。

4 結 論

利用AVL-Fire建立HCNG發動機仿真模型，結合回火工況試驗數據，研究HCNG發動機回火機理，得到如下結論：

1) 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。

2) 仿真結果表明，由于氣門重疊期較大，壓縮比提高，導致高溫廢氣回流到進氣道，這是造成回火的原因之一。

3) 由于排氣沖程末端的無效點火，進一步提高了進氣門附近的溫度，從而加大了回火的趨勢。

[1] 孫柏剛,劉福水.氫內燃機NOx排放特性的試驗研究[J].內燃機工程,2011,32(2):53-56. Sun Baigang,Liu Fushui.Experimental study on NOxemissions of hydrogen internal combustion engine [J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2011,32(2):53-56.

[2] Safari H,Jazayeri S A,Ebrahimi R.Potentials of NOXemission reduction methods in SI hydrogen engine:simulation study [J].International Journal of Hydrogen Energy,2009(34):1015-1025.

[3] Ma Fanhua,Ding Shangfen,Wang Yefu,et al.Performance and emission characteristics of a spark-ignition (SI) hydrogen-enriched compressed natural gas (HCNG) engine under various operating condition including idle conditions [J].Energy & Fuels,2009,23(6):3113-3118.

[4] Wang Jinhua,Huang Zuohua,Fang Yu,et al.Combustion behaviors of a direct-injection engine operating on various fractions of natural gas-hydrogen blends [J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(15):3555-3564.

[5] Murari M R,Eiji T,Nobuyuki K,et al.Performance and emissions of a supercharged dual-fuel engine fueled by hydrogen-rich coke oven gas [J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(23):9628-9638.

[6] 黃佐華.內燃機節能與潔凈利用開發與研究的現狀與前沿[J].汽車安全與節能學報,2010,1(2):89-97. Huang Zuohua.R & D current situation and frontier for energy-saving and clean utilization in internal combustion engines [J].Journal of Automotive Safety and Energy,2010,1(2):89-97.

[7] 何義團,安娜,鄧蛟,等.點火提前對CNG發動機燃氫怠速性能的影響[J].重慶交通大學學報：自然科學版,2011,30(2):311-314. He Yituan,An Na,Deng Jiao,et al.Effect of ignition advance angle on ildle performance of hydrogen fueled CNG engine[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30(2):311-314.

[8] 曹陽.汽油機電控單元原理機的研制及控制策略研究[D].上海:上海交通大學,2009. Cao Yang.The Development of Electronic Control Unit Prototype of Gasoline Engine and Control Strategy Research [D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2009.

3-D Simulation Analysis on Backfire Conditions of HCNG Engine with High Compression Ratio

He Yituan, Zhou Lei, Yuan Junyong, Shao Yiming, Deng Biao

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

In order to research the backfire mechanism of one HCNG engine with high compression ratio, an experiment of backfire conditions was carried out. On the basis of the engine specifications and experimental data, a 3-D model of HCNG engine was established by AVL-Fire software, which made the simulation calculation of backfire conditions. The test and simulation results show that, the engine is easier to backfire at the condition of higher compression ratios; if other conditions keep unchanged, backfire is likely to happen when the ignition advanced angle is closer to top dead center (TDC); large valve overlap and high compression ratio cause the waste gas with high temperature back flow to the intake ports, which is one of the causes of backfire; the invalid ignition close to the TDC of exhaust stroke increases the gas temperature near the intake valve, which raises the backfire trend.

vehicle engineering; HCNG engine; backfire; 3-D simulation; compression ratio

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.30

2013-03-13；

2013-05-31

重慶市自然科學基金項目(cstc2012jjA90012)；重慶交通大學研究生教育創新基金項目(20130126)

何義團(1977—)，男，四川旺蒼人，教授，博士， 主要從事代用燃料發動機方面的研究。E-mail: heyituan@163.com。

U464.173

A

1674-0696(2015)01-140-04