不同參數對氫內燃機性能的顯著性影響

洪琛

摘要：本文以一臺單缸進氣道噴射式氫內燃機為對象，利用數值模擬的方法，基于L25（56）的正交試驗表，選取當量比、點火正時、噴氫壓力、噴氫正時和EGR率對嘉陵JH600氫內燃機的動力性（指示功率）、經濟性（指示熱效率）和排放（NO質量分數）進行綜合性研究。結果表明：各參數對指示功率、指示熱效率和NO質量分數的影響顯著性不盡相同;當量比為0.95，點火正時為702°CA，噴氫壓力為2.0bar，噴氫正時為421°CA，EGR率為4%時，氫內燃機的指示功率及指示熱效率最大且NO質量分數處于可接受的水平;通過優化參數取值可以最大程度上獲取較優的氫內燃機綜合性能，但是無法使各項性能達到最優。

關鍵詞：正交試驗;指示功率;指示熱效率;NO質量分數

1 引言

氫內燃機研究的起源可以追溯到19世紀中期，但直到20世紀初期，實用性的氫內燃機才開始出現。隨后，掀起了研究氫內燃機的熱潮。L.M.DAS等人[1]闡述了氫氧反應機理對氫發動機燃燒的影響;楊振中等人[2]較早地對氫燃料發動機點火正時和噴射系統的最優控制進行了研究。

本研究從仿真試驗角度出發，基于正交試驗，利用嘉陵JH600單缸氫內燃機三維模型，研究了當量比、點火正時、噴氫壓力、噴氫正時和EGR對嘉陵JH600單缸氫內燃機的動力性（指示功率）、經濟性（指示熱效率）和排放（NO質量分數）的顯著性影響。

2 計算模型和仿真試驗方案

2.1 計算模型

本文以嘉陵JH600汽油機為原型，在原有技術基礎上將其改裝為進氣道噴射式氫內燃機。其連桿長度為137mm，缸徑為94mm，行程為85mm，壓縮比為9.7。

2.2 邊界條件和初始條件

進氣道溫度、壓力分別為300K、0.1MPa，燃燒室溫度、壓力分別為950K、0.108MPa，排氣道溫度、壓力分別為900K、0.106MPa，氣缸壁溫480K，氣缸蓋壁溫600K，活塞表面溫度600K。

2.3 仿真試驗方案

在n=2000rpm工況下，選定當量比（0.5/0.65/0.8/0.95/1.1）、點火正時（684/693/702/711/720°CA）、噴氫壓力（2/2.5/3/3.5/4bar）、噴氫正時（394/403/412/421/430°CA）和EGR率（0/4/8/12/16%）。根據綜合試驗設計，需要進行55次模擬來完成這項研究，這顯然是不現實的。鑒于正交設計的優良特性，故采用具有L25（56）的正交試驗表進行仿真計算。

3 結果及分析

3.1 指示功率計算分析

3.1.1 指示功率的極差分析

由上表1可知，各因素對指示功率均有一定影響，各因素對指示功率的影響由大到小依次為：A（當量比）→E（EGR率）→C（噴氫壓力）→D（噴氫正時）→B（點火正時）。

3.1.2 當量比與指示功率之間的關系

圖1給出了指示功率隨H2/air混合氣當量比的變化規律。從圖中可以得到：指示功率隨當量比的增加呈現先升高后降低的趨勢，在當量比為0.95時達到最大，此時的指示功率為7.182KW;當量比由0.5增加至0.95，指示功率迅速升高，這說明在該范圍內指示功率對當量比的變化較為敏感;當量比由0.95增加至1.1，指示功率逐漸降低，這可能是混合氣過濃，空氣不足，使得燃燒不充分，進而導致指示功率降低。

3.1.3 點火正時與指示功率之間的關系

指示功率隨著點火正時的推遲先升高后降低，在點火正時為711°CA時指示功率最高，其值為6.666KW;適當推遲點火正時有利于提高氫內燃機的指示功率，但過度推遲點火正時會使氫內燃機的動力性遭到嚴重損失。

3.2 指示熱效率及NO質量分數的極差計算分析

同理，按照同樣的計算和分析方法，列出相應的極差計算表，畫出各參數與指示熱效率及NO質量分數的因素-指標圖，最終可得：（1）各因素對指示熱效率的影響由大到小依次為：E（EGR率）→C（噴氫壓力）→A（當量比）→B（點火正時）→D（噴氫正時）;（2）即各因素對NO質量分數的影響由大到小依次為：E（EGR率）→A（當量比）→D（噴氫正時）→C（噴氫壓力）→B（點火正時）。

4 結論

（1） 各因素對指示功率的影響由大到小依次為：A（當量比）→E（EGR率）→C（噴氫壓力）→D（噴氫正時）→B（點火正時）。

（2） 各因素對指示熱效率的影響由大到小依次為：E（EGR率）→C（噴氫壓力）→A（當量比）→B（點火正時）→D（噴氫正時）;

（3） 各因素對NO質量分數的影響由大到小依次為：E（EGR率）→A（當量比）→D（噴氫正時）→C（噴氫壓力）→B（點火正時）。

參考文獻：

[1] L. M. DAS. Hydrogen-oxygen reaction mechanism and its implication to hydrogen engine combustion. Int J Hydrogen Energy 1996; 21：703-715.

[2] Zhenzhong Yang， Jianqin Wei， Zhuoyi Fang， Jinding Li. An investigation of optimum control of ignition timing and injection system in an in-cylinder injection type hydrogen fueled engine. Int J Hydrogen Energy 2002; 27：213-217.