噴孔面積對氫內燃機進氣以及缸內溫度和廢氣分布的影響

胡樂磊

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450011）

隨著燃氫發動機研究的日益深入， 解決燃氫發動機早燃回火等異常燃燒問題已經成為燃氫發動機研究的重中之重。 進氣道噴射氫發動機由于結構簡單，改裝相對容易，成為實驗研究的首選。

氫內燃機早燃回火是氫內燃機異常燃燒的重點，大部分學者認為缸內的高溫殘余廢氣和高溫熱點是造成回火的主要原因[1-2]。 因此研究噴孔面積對進氣初期進氣道氣體濃度以及缸內廢氣和高溫區的分布的影響， 對燃氫發動機的回火研究有重要意義。

利用AVL-fire 進行計算[3]，通過仿真獲得噴孔面積對進氣過程、燃燒過程的影響，從而獲得改變噴射結構抑制回火的途徑。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

本文以嘉陵JH600 發動機為原型， 用SolidWorks 建立三維仿真模型。

圖1 三維計算網格

為了簡化計算，在建立仿真模型時，考慮氣缸和進氣管的對稱性，建立了僅包含半個進氣管（雙噴孔）、半個氣缸和半個排氣管的三維計算網格。 圖1 所示噴孔直徑為3mm 的三維計算網格（其余模型網格不再一一列出）。

表1 內燃機參數Tab.1 Engine parameters

1.2 計算參數設定[4]

實驗測得，當噴氫壓力處于0.2-0.4MP 之間時，發動機可以正常啟動， 所以本文將氫氣噴射壓力設定為0.3Mpa。 進氣溫度、壓力、流量等初始條件通過試驗測定，傳熱系數、摩擦因數根據經驗公式獲得，其他初始條件和邊界條件參考經驗值選取。 轉速為最大扭矩轉速4500r·min-1，空氣進氣溫度為305K，進口壓力為0.1MPa，氫氣噴入溫度為300K，進氣道溫度為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。 初始壓力缸內為0.15MPa，初始溫度為810K。 進氣門打開時間341-605°曲軸轉角，排氣門打開時間867-1103°曲軸轉角（本文只計算341°-1061°兩次進氣門開啟之間的工作循環）。

由于當量燃空比大于0.6 時，氫發動機會發生較為嚴重的回火，難以正常工作，因此以轉速4500r·min-1、當量燃空比0.6 表征高轉速大負荷。 算例參數如表2 所示。

表2 算例參數

2 結果與分析

2.1 噴孔面積對進氣初期進氣道內氫氣濃度變化的影響

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

本文以3mm、4mm、5mm、6mm 噴孔直徑為例，保證噴氫開始時刻相同均為400°CA， 在缸內噴入燃料的質量、濃度相同的前提下， 對進氣過程中進氣道氫氣的濃度變化進行模擬分析。 其進氣道氫氣濃度變化如圖2 所示，進氣道內速度場的分布如圖3 所示。

在進氣初期，由于噴射壓力相同，隨著噴孔面積的增大，進氣道氫氣濃度急劇增加。隨著噴孔面積增大，進氣道內氣體流動的速度有所增加，致使部分氫氣積存在進氣道內不能快速進入汽缸內，也導致進氣道內混合氣濃度增加過快。發動機在氣門重疊初期，由于缸內壓力、溫度相對很高，部分高溫廢氣會回流到進氣道，在進氣初期進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燃，造成回火。在噴射時刻相同、工況相同的情況下，在滿足發動機進氣量需求的前提下，減小噴孔直徑將降低進氣道噴射氫內燃機回火發生的概率。

圖2 進氣初期進氣道氫氣濃度

2.2 噴孔面積對缸內廢氣和溫度分布的影響

對于進氣道噴射氫內燃機回火， 大多數研究認為是由于在進氣過程中缸內高溫廢氣回流進入進氣道， 因此研究進氣門打開時缸內特別是進氣門附近高溫區、 高廢氣區的分布對判斷發動機回火趨勢有重要意義。

圖3 進氣初期420°CA 時刻進氣道速度場

本文分別對3mm、4mm、5mm、6mm 噴孔直徑對缸內溫度以及缸內廢氣分布的影響進行仿真， 得到了溫度以及缸內廢氣分布，如圖4 所示，得到噴孔面積對缸內溫度以及缸內廢氣分布的影響規律。

圖4 進氣門打開時缸內溫度和廢氣分布圖

從圖4 可以明顯比較出缸內高溫度區、 高廢氣區分布的重合度，隨噴孔直徑的增加其重合度逐漸增加，隨噴孔直徑的增加，進氣門打開時進氣門附近溫度升高，并且進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氣門處，勢必造成高溫的廢氣回流到進氣道，進氣道溫度過高，容易引起回火。

3 結論

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

3.2 噴孔面積的增大導致缸內高溫區面積增大，并且使高溫區域更加靠近進氣門，對抑制回火是不利的。

3.3 噴孔面積增加，使得進氣門打開時，進氣門附近聚集較濃的高溫廢氣，對抑制發動機回火也是不利的。

［1］楊振中.氫燃料發動機燃燒與優化控制[D].杭州:浙江大學，2001.

［2］陳韜.汽油機低溫高效燃燒中缸內溫度-廢氣率耦合控制研究［D］.天津：天津大學機械工程學院，2010.

［3］楊光. 基于AVL_FIRE 的氫發動機燃燒過程分析［D］.鄭州:華北水利水電大學，2013.

［4］段俊法. 進氣道燃料噴射氫內燃機回火機理與控制研究［D］.北京:北京理工大學大學，2013.