氫燃料燃燒性能數(shù)值模擬分析

阿俊利 郭朋彥 張瑞珠 陳 磊 李志遠(yuǎn)

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

氫燃料燃燒性能數(shù)值模擬分析

阿俊利 郭朋彥 張瑞珠 陳 磊 李志遠(yuǎn)

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

本文將氫燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與Chemkin多區(qū)火花點(diǎn)火燃燒模型耦合，分析壓縮比、點(diǎn)火提前角等因素對(duì)氫燃料燃燒性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)壓縮比不同時(shí)，缸內(nèi)溫度隨著壓縮比的增大而略微下降，缸內(nèi)壓力隨著壓縮比的增大而增大；當(dāng)點(diǎn)火提前角不同時(shí)，缸內(nèi)溫度變化不大，缸內(nèi)壓力隨點(diǎn)火提前角的增大而增大。關(guān)鍵詞：氫燃料；化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；燃燒性能

近年來(lái)，清潔燃料的研究已經(jīng)隨著化石燃料的枯竭和污染排放法規(guī)的加強(qiáng)而引起越來(lái)越多的關(guān)注。氫是公認(rèn)的清潔無(wú)污染燃料，具有發(fā)電效率高、熱效率高、排放低、經(jīng)濟(jì)性好、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是最有前途的燃料之一。

本文中利用氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件Chemkin，將氫燃燒的反應(yīng)機(jī)理與Chemkin多區(qū)火花點(diǎn)火燃燒模型耦合，分析壓縮比、點(diǎn)火提前角等因素對(duì)氫燃料燃燒性能的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 氫燃料燃燒氧化反應(yīng)機(jī)理

國(guó)際上對(duì)H-O-C的反應(yīng)機(jī)理已進(jìn)行了較為深入的研究，本文選擇GRI-3.0詳盡反應(yīng)機(jī)理，減少反應(yīng)過(guò)程和生成物影響較小的基元反應(yīng)，獲得了簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理，本文采用簡(jiǎn)化后的反應(yīng)機(jī)理。

1.2 內(nèi)燃機(jī)模型

Chemkin中火花點(diǎn)火（SI）發(fā)動(dòng)機(jī)分區(qū)模型是一種多區(qū)零維模型。模型可以用來(lái)模擬內(nèi)部氣體成分的演化。本文主要采用Chemkin軟件中添加的半經(jīng)驗(yàn)Woschni傳熱模型。

本研究選用的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)缸徑為850mm，沖程為108.2mm，仿真過(guò)程從-120.2?CA到139.8?CA。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 壓縮比對(duì)氫燃料燃燒性能的影響

圖1和圖2是在進(jìn)氣溫度為300K、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1600r/min、進(jìn)氣壓力為0.10MPa、當(dāng)量比為1的情況下缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力在不同壓縮比時(shí)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。由圖1和圖2可知，壓縮比從8增加到14，而缸內(nèi)溫度峰值從2 616K下降到2 494K，缸內(nèi)溫度峰值變化不大，且溫度峰值出現(xiàn)的相位變化也不大；缸內(nèi)壓力隨著壓縮比的增加而增大，壓縮比從8增加到14，缸內(nèi)壓力峰值從1.576MPa增加到2.084MPa，缸內(nèi)壓力峰值增加了32.2%，壓力峰值出現(xiàn)的相位變化不大。從上述數(shù)據(jù)可以看出，壓縮比對(duì)缸內(nèi)壓力的影響大于缸內(nèi)溫度的影響。但是，從整體上看，缸內(nèi)溫度峰值和壓力峰值出現(xiàn)的相位基本一致。

圖1 不同壓縮比下缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況

圖2 不同壓縮比下缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況

2.2 點(diǎn)火提前角對(duì)氫燃料燃燒性能的影響

設(shè)置初始條件為：進(jìn)氣溫度300K，壓縮比12，進(jìn)氣壓力0.10MPa，當(dāng)量比1，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速1 600r/min，點(diǎn)火提前角分別為曲軸轉(zhuǎn)角10?CA BTDC、15?CA BTDC、20?CA BTDC及25?CA BTDC。

從圖3可以看出，隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前，缸內(nèi)溫度峰值幾乎沒(méi)有變化，但峰值溫度對(duì)應(yīng)的相位值隨著提前，呈規(guī)律性變化。從圖4可以看出，隨著點(diǎn)火提前角的增大，缸內(nèi)壓力也隨著增大，峰值壓力出現(xiàn)的相位提前，和峰值溫度相位對(duì)應(yīng)。點(diǎn)火提前角從10?CA BTDC提前到25?CA BTDC，缸 內(nèi) 壓 力 峰 值 從 1.420MPa 增 加 到2.189MPa，出現(xiàn)的相位從24?CA BTDC提前到10?CA BT?DC；點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力的影響比較明顯。點(diǎn)火提前角越大，燃燒開始越早，有助于火核的形成和火焰的傳播；而在點(diǎn)火后，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣開始劇烈燃燒，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力快速增大，缸內(nèi)壓力峰值出現(xiàn)的相位也相應(yīng)提前。因此，點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能影響較大，選擇合適的點(diǎn)火提前角是非常有必要的［1］。

圖3 不同點(diǎn)火提前角下缸內(nèi)溫度隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況

圖4 不同點(diǎn)火提前角下缸內(nèi)壓力隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況

3 結(jié)論

在不同壓縮比的情況下，缸內(nèi)溫度隨著壓縮比的增大而略微下降，缸內(nèi)壓力隨著壓縮比的增大而增大，峰值溫度和峰值壓力對(duì)應(yīng)的相位變化不大。

在不同點(diǎn)火提前角的情況下，缸內(nèi)溫度變化不大，缸內(nèi)壓力隨點(diǎn)火提前角的增大而增大。

［1］郭林福，石濱，張欣，等.點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)直噴低熱值氣體燃料摻氫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（6）：27-33.

Numerical Simulation Analysis of Combustion Performance of Hydrogen Fuel

A JunliGuo Pengyan Zhang Ruizhu Chen LeiLi Zhiyuan
（College of Mechanical,North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

In this paper,the chemical reaction mechanism of hydrogen combustion is coupled with the Chemkinmulti-zone spark ignition model to analyze the influence of compression ratio and ignition advance angle on the combustion performance of hydrogen fuel.The results showed that when the compression ratio is not at the same time,the temperature of the cylinder with the increase of the compression ratio and de?creases slightly,the cylinder pressure increases with the increase of the compression ratio;when the igni?tion advance angle is not at the same time,little change of temperature in the cylinder,the cylinder pres?sure increases with the increase of the ignition advance angle.

hydrogen fuel；chemical reaction mechanism；combustion performance

TK46

A

1003-5168（2017）12-0110-02

2017-11-03

河南省創(chuàng)新型科技團(tuán)隊(duì)（C20150017）

阿俊利（1990-），女，碩士，研究方向：車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。