噴氫壓力對PFI氫內燃機進氣及燃燒過程的影響

王凱心

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

噴氫壓力對PFI氫內燃機進氣及燃燒過程的影響

王凱心

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

文章以一臺單缸四氣門進氣道噴射式氫內燃機為對象，利用數值模擬的方法研究分析了噴氫壓力對氫內燃機進氣及燃燒過程的影響。結果表明：隨著噴氫壓力的增大，缸內混合氣均勻性，瞬時放熱率，缸內最大壓力，最高燃燒溫度均呈現出先升高后降低的趨勢。適當提高噴氫壓力有利于改善氫內燃機的進氣和燃燒過程，但過高的噴氫壓力會引起進氣道內新鮮空氣倒流。

氫內燃機；進氣道噴射；噴氫壓力；燃燒

前言

隨著能源危機，全球變暖以及環境污染三方面壓力的加劇，尋求和發展清潔、安全可靠的替代燃料勢在必行。氫氣以其高效、清潔、可再生的特點成為較為理想的替代燃料。與傳統化石燃料相比，氫氣具有可燃范圍寬，點火能量小，燃燒速度快等優點。氫內燃機的混合氣形成方式主要有進氣道噴射和缸內直噴兩種，其中進氣道噴射方式排放少，成本低，改造簡單，因而被廣泛采用[1-2]。然而氫氣為氣態且密度低，其體積基準低熱值較低（氫氣為 10.2MJ/m3，汽油為216.4MJ/m3），采用進氣道噴射，氫氣在進氣道內膨脹，發動機容積效率下降，導致氫發動機輸出功率下降[3-4]。

針對這一問題，Rahman[5]等研究發現氫發動機體積效率隨空燃比和發動機轉速的增加而增大。S. Verhelst[6]等研究采用進氣增壓與 EGR相配合提高了進氣道噴射式氫內燃機的功率輸出。Jongtai Lee[7]等研究通過控制氣門正時與增壓稀燃改進了氫內燃機的性能。而噴射系統也是影響氫內燃機性能的重要環節，其中噴氫壓力是氫氣噴射的關鍵參數，其一方面控制著單位時間內噴射的氫氣量，另一方面也決定了氫氣噴射的初速度，對氫內燃機的進氣過程有著重要影響。因此，本文以一臺單缸氫發動機為基礎，結合AVL FIRE軟件利用數值模擬的方法研究了不同噴氫壓力對發動機進氣及燃燒過程的影響。

1 模型及研究方法

1.1 幾何模型及計算網格

本文以一臺四氣門進氣道噴射式單缸氫發動機為對象建立模型，其缸徑94mm，行程85mm，壓縮比9.7:1。為了簡化計算，考慮氣缸和進排氣道的對稱性，在建立三維模型時，以過氣缸軸線和鼻梁區中心的平面為對稱面，建立了包含半個穩壓箱、半個進排氣道和半個氣缸的三維模型。數值模擬計算借助三維CFD軟件AVL FIRE完成，為提高精確度，對噴孔、氣門和氣門座附近的網格進行局部加密細化，同時兼顧計算速度，最終網格數約為 50萬，生成的動網格如圖 1所示。計算中，定義發動機進氣上止點為 360°CA（Crank Angle），燃燒上止點為 720°CA，整個工作循環包括氣門疊開（351°CA～394°CA），進氣（394°CA～634°CA），壓縮做功（634°CA～866°CA），排氣（866°CA～1071°CA）四個時期。湍流模型選擇κ-ζ-f四方程模型，同時采用SIMPLE算法來求解速度場和壓力場的耦合。

圖1 氫內燃機計算網格

1.2 邊界條件和初始條件

為了提高模擬的準確性，使模擬與實際工況更為相符，本研究考慮了邊界條件和初始條件對工質的影響，所采用的邊界條件和初始條件均取經驗值。具體為：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。

1.3 模擬方案

計算中缸內燃空當量比為0.68，發動機轉速3000r/min。采用單路噴射方式，噴孔位于進氣道的鼻梁處，直徑5mm。在394°CA開始噴氫，噴氫壓力分別取0.25MPa，0.3MPa，0.35MPa，0.4MPa，0.45MPa共5組進行考察。

2 結果與分析

2.1 對進氣道空氣進口質流量的影響

圖2反映了進氣道空氣進口質流量隨曲軸轉角的變化情況。其中負值代表空氣流入進氣道，正值代表流出。

圖2 空氣進口質流量隨曲軸轉角變化曲線

從圖2可以看出，當從394°CA開始噴氫后，空氣進口質流量均會迅速下降，這主要是由于氫氣密度小，擴散系數大，進入進氣道后迅速膨脹，占據了進氣道的空間，對新鮮空氣的進入造成了一定的阻礙。同時可以發現，隨著噴氫壓力的升高，空氣進口質流量下降速度加快，但波動情況逐漸減少。當噴氫壓力達到 0.4MPa后，在噴氫中后期出現了新鮮空氣的倒流出進氣道的現象，且隨著噴氫壓力的繼續增大，新鮮空氣倒流時的質流量增大，持續期變長。

2.2 對混合氣均勻性的影響

缸內氫氣與空氣混合的越均勻越有利于火焰的傳播。氫氣與空氣混合的均勻程度既受進氣過程的影響，同時又影響著后續燃燒過程的進行，因此觀察缸內混合氣的均勻性并用混合氣均勻性系數加以評定。

圖3 缸內混合氣均勻性系數隨噴氫壓力變化曲線

圖3為在點火時刻缸內混合氣均勻性系數隨噴氫壓力的變化曲線。從圖3可以看出，隨著噴氫壓力的增大，混合氣均勻性系數曲線先上升且升幅逐漸趨緩，在噴氫壓力超過0.4MPa后又急劇下降。這主要是由于隨著噴氫壓力的增大，氫氣會以更高的初速度噴出，高速氫氣加大了混合氣的流動速度，增大了缸內混合氣的湍流強度，使氣體混合更為均勻。但同時增大噴氫壓力也增大了氫氣的質流量，使得進氣道內局部氫氣濃度升高，一定程度上阻礙了新鮮空氣的流入，增長了氫氣與空氣的混合時間，所以過高的噴氫壓力反而導致混合氣均勻性系數降低。

2.3 對燃燒放熱的影響

圖4給出了不同噴氫壓力下，缸內瞬時放熱率隨曲軸轉角的變化情況。可以看出，隨著噴氫壓力的增大，最大瞬時放熱率先增大后減小，在 0.4MPa達到最大值。同時最大瞬時放熱率對應的曲軸轉角也隨噴氫壓力的增大先提前后延后，在 0.4MPa時瞬時放熱率最先達到峰值。這是因為隨著噴氫壓力的增大，缸內混合氣湍流運動加劇，均勻性升高，提高了點火后火焰的傳播速率。而當噴氫壓力超過 0.4MPa后，缸內混合氣均勻性降低，火焰傳播速率減慢，達到瞬時放熱率峰值的曲軸轉角也相應延后，最大瞬時放熱率降低。

圖4 不同噴氫壓力下缸內瞬時放熱率變化曲線

圖5 不同噴氫壓力下缸內壓力和溫度變化曲線

2.4 對缸內壓力和溫度的影響

圖5反映了不同噴氫壓力下，缸內平均壓力和平均溫度隨曲軸轉角的變化情況。從圖中可以看出，隨著噴氫壓力的增大，缸內平均壓力和平均溫度均先增大后減小，且在0.4MPa達到最大值。這是由于噴氫壓力較小時缸內混合氣運動較弱，在進氣過程后期缸內運動較弱的混合氣易受擠壓而從缸內回流入進氣道，造成缸內氫氣量的減少，隨著噴氫壓力的增大，缸內混合氣湍流運動增強，回流現象減弱。另一方面，噴氫壓力大于4MPa后，過大的噴氫壓力降低了缸內混合氣的均勻性，火焰傳播速率降低，增長了燃燒持續期，從而造成了缸內壓力和溫度的降低。同時從圖中可以發現，隨著噴氫壓力的增大，達到壓力和溫度峰值點的曲軸轉角先逐步提前后延后，這也是不同噴氫壓力下的混合氣均勻性先增大后減小導致火焰傳播速率先加快后減慢所致。

3 結論

（1）對于PFI氫內燃機，在進氣過程中，提高噴氫壓力，一方面加快混合氣流動，增強缸內混合氣的湍流運動，使氣體混合更為均勻；另一方面也會對進氣管內新鮮空氣的流入形成阻礙，過高的噴氫壓力還會造新鮮空氣倒流。

（2）隨著噴氫壓力的增大，缸內混合氣均勻性，瞬時放熱率，缸內最大壓力，最高燃燒溫度均呈現出先升高后降低的趨勢，當噴氫壓力為0.4MPa時，氫發動機燃燒性能最優。適當提高噴氫壓力有利于改善氫發動機的進氣和燃燒過程。

[1] Ghazi A.Karim. Hydrogen as a spark ignition engine fuel[J].International Journal of Hydrogen Energy. 2003,28: 569-577.

[2] 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.

[3] C. Sopena, P.M. Diéguez, D. Sáinz, et al. Conversion of a commer-cial spark ignition engine to run on hydrogen: Performance compar-ison using hydrogen and gasoline[J].International Journal of Hydro-gen Energy. 2010,35: 1420-1429.

[4] Bilge AlbayrakCeper. Experimental investigation of the effect of spark plug gap on a hydrogen fueled SI engine[J].International Journal of Hydrogen Energy. 2012,37: 17310-17320.

[5] Rahman MM, Mohammed MK, Bakar RA. Effects of Air-Fuel Ratio and Engine Speed on Performance of Hydrogen Fueled Port Injec-tion Engine[J]. Journal of Applied Sciences.2009, 9(6):1128- 1134.

[6] S. Verhelst, P. Maesschalck, N. Rombaut, et al. Increasing the power output of hydrogen internal combustion engines by means of super-charging and exhaust gas recirculation[J]. International Journal of Hydrogen Energy.2009,34: 4406-4412.

[7] Jongtai Lee, Kwangju Lee, Jonggoo Lee, et al. High power performance with zero NOx emission in a hydrogen-fueled spark ignition engine by valve timing and lean boosting[J].Fuel.2014,128: 381-389.

The effect of hydrogen injector pressure on intake and combustion process of PFI hydrogen internal combustion engine

Wang Kaixin
（North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045）

In this paper, the effect of hydrogen injection pressure on the intake and combustion process of hydrogen internal combustion engine was studied by means of numerical simulation method with a single-cylinder four-valve port fuel injection hydrogen engine. The results show that with the increase of hydrogen injection pressure, the uniformity coefficientof the mixture, the heat release rate, the maximum pressure and combustion temperaturein the cylinder show a tendency to increase first and then decrease. Appropriate increase in hydrogen pressure is conducive to improving the hydrogen engine intake and combustion process, but too high hydrogen pressure will cause the intake of fresh air backflow.

hydrogen internal combustion engine; port injection; hydrogen injection pressure; combustion

TK46

A

1671-7988(2017)22-98-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.035

王凱心（1992.1-），男，碩士研究生，就讀于華北水利水電大學。研究方向：清潔能源車用發動機燃燒優化設計。

CLC NO.:TK46

A

1671-7988(2017)22-98-03