噴孔直徑對PFI氫內燃機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，河南 鄭州 450045）

噴孔直徑對PFI氫內燃機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，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氫內燃機進行三維數值模擬，對比分析了不同噴孔直徑下氫內燃機混合氣形成質量及缸內燃燒和排放特性。結果表明：隨著噴孔直徑的增加，缸內混合氣均勻性系數逐漸降低，而缸內最大壓力、最高溫度、瞬時放熱率、累積放熱量和NOx排放均呈先增大后減小趨勢。

氫內燃機；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，人類開始不斷開發高效可再生的清潔能源。氫氣因其擴散速度快、著火界限寬、點火能量低、燃燒清潔等優點已得到國內外廣大學者的認可[1-3]。

近年來，國內外學者對內燃機燃氫進行了多方面的研究。楊振中[4]等研究了點火提前角對氫內燃機燃燒和排放性能的影響，研究得出通過優化點火提前角可以有效的改善氫內燃機性能。孫柏剛[5]等研究了氫內燃機NOx排放特性，研究得出當量比是影響NOx排放的關鍵因素。Antonella[6]等研究了氫內燃機在高轉速時NOx的生成機理。

國內外學者對氫內燃機運轉參數進行了較多的研究，而少有學者進行噴射系統結構參數的研究。本文針對一臺雙孔沿進氣歧管周向均勻分布式PFI氫內燃機，運用數值模擬的方法重點研究了噴孔直徑對氫內燃機混合氣形成過程及燃燒和排放特性的影響，為氫內燃機的優化設計提供理論參考。

1、數學模型的建立

研究采用一臺單缸四氣門氫內燃機，其連桿長度137mm，缸徑94mm，行程85mm，壓縮比9.7:1。根據其幾何結構參數建立主要包括進排氣道、進排氣門、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，為簡化計算，并考慮到氣缸和進排氣道的對稱性，僅建立了包含半個進排氣道和半個氣缸的三維模型。

為了使數值模擬符合實際工況，本文在模擬時考慮了邊界條件對工質的影響，各邊界條件的設置如表1所示。缸內初始壓力0.11MPa，初始溫度700K。

圖1 氫內燃機計算網格

表1 邊界條件設置

2、結果與分析

研究選取噴氫起始角394oCA，缸內平均當量比0.67，點火時刻為710oCA，轉速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來定量評價混合氣的均勻程度。

圖2 缸內混合氣均勻性系數隨噴孔直徑變化曲線

圖2為點火時刻的缸內混合氣均勻性系數隨噴孔直徑的變化曲線。由圖2可見，缸內混合氣均勻性系數隨著噴孔直徑的增大而減小，這是因為在相同的噴射壓力下，噴孔直徑越小氫氣射流錐底半徑越小，噴射持續期越長，氫氣與空氣接觸的機會增加，混合越充分，均勻性系數則越大。

2.2 對缸內壓力和溫度的影響

圖3為不同噴孔直徑時，缸內平均壓力和平均燃燒溫度隨曲軸轉角的變化曲線。由于噴孔直徑2.5mm時，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燃。

圖3 不同噴孔直徑時缸內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，缸內最大壓力和最高燃燒溫度均出現先增大后減小的趨勢，且都在噴孔直徑4mm時達到最大值。這是由于在進氣門關閉前缸內混合氣出現倒流回進氣道現象，隨著噴孔直徑的增大，回流量越小，缸內剩余氫氣質量呈上升趨勢。而直徑大于4mm后，缸內混合氣的混合均勻性顯著下降，燃燒持續期增長，對外做功多，致使缸內最大壓力和最高溫度也隨之出現大幅下降趨勢。

圖3還可以看出，隨著噴孔直徑的增加，缸內最大壓力和最高燃燒溫度出現的時刻也逐漸滯后，這是由于隨著噴孔直徑的增加，缸內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，缸內瞬時放熱率和累積放熱量隨曲軸轉角的變化曲線。從圖4可以看出，隨著噴孔直徑的增大，最大瞬時放熱率和累積放熱量都呈現出先增大后降低的趨勢，且都在噴孔直徑4mm時達到最大值，而后出現大幅下降現象。這是由于隨著噴孔直徑的增大，缸內混合氣湍動能逐漸增加，火焰傳播速度逐漸加快，使得最大瞬時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顯著地下降，并占據主導作用，火焰傳播速率下降，使得噴孔直徑大于4mm后最大瞬時放熱率和累積放熱量出現逐漸降低趨勢。

圖4 不同噴孔直徑缸內瞬時放熱率和累積放熱量變化曲線

圖5 NO生成質量分數隨噴孔直徑變化曲線

2.4 對排放的影響

圖5為NO生成質量分數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時出現峰值。這是因為在噴孔直徑小于4mm時，隨著噴孔直徑的增加，缸內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、結論

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

b. 噴孔直徑2.5mm時，在噴氫有效區間內持續噴氫缸內當量比最高達到0.4，混合氣未能被點燃；噴孔直徑4mm時，氫內燃機動力性、經濟性均達最優，同時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. 點火提前角對氫發動機性能的影響及智能控制技術[J].太陽能學報. 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。主要從事汽車清潔能源燃燒與排放優化的研究。