喷氢时刻对进气道喷氢发动机混合气形成过程的影响

黄 研, 胡乐磊, 杨亚坤

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



喷氢时刻对进气道喷氢发动机混合气形成过程的影响

黄 研, 胡乐磊, 杨亚坤

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

氢气以清洁燃烧的特点成为理想的发动机代用燃料.为研究不同喷氢时刻下氢发动机混合气形成的过程，应用AVL Fire软件建立进气道燃料喷射氢发动机的三维仿真模型.分析缸内外浓度场、速度场的变化规律，从抑制回火等抑制异常燃烧的角度，综合评价混合气的形成状况.并以混合气均匀性系数、有效喷氢率为指标优化了高速、大负荷工况下进气道喷射氢发动机的喷氢时刻.

氢发动机;混合气形成;喷氢时刻;均匀性

氢气具有热值高、着火范围宽、燃烧速率快、排放污染小等特点，作为理想的代用燃料应用于发动机，以降低其排放指标.在发动机上应用时可采用进气道燃料喷射(Port Fuel Injection，PFI)、缸内直喷等多种喷射方式[1-4].其中采用进气道喷氢方式具有供氢系统简单、喷氢量控制精确、改造成本低等优点，成为目前的研究热点.

混合气形成是进气道喷射氢发动机工作过程中的重要环节，气体混合质量的好坏直接影响到燃烧质量，进而影响到发动机的动力性、经济性和排放性.为了保证氢发动机有理想的输出功率，并且抑制其工作过程中出现的早燃、回火等异常燃烧现象，通过优化氢发动机的各种结构参数和运转参数来增强对混合气形成过程的合理调控，是氢发动机研究的重要方向[5-8].

1 模拟过程

1.1 模型建立

以一台单缸PFI氢发动机为研究对象建立适用于Fire的CFD仿真模型，如图1所示.该发动机采用火花塞点火方式，缸径94 mm，行程85 mm，压缩比9.7.建模过程考虑到混合气形成过程中气体的流动路径，模型必须包含进、排气道，气门和气缸.考虑到气缸和进、排气道沿纵向截面的对称性，以减少计算网格数目、优化计算过程为目的，仿真模型只取其实体模型的一半.仿真模型的初始条件、边界条件均结合试验测试进行设置.

图1 三维CFD仿真模型

图1中氢内燃机工作循环的进气上止点为360 °CA(根据配气相位，进气门早开，在进气上止点前19 °CA开启，即341 °CA开启)，压缩上止点为720 °CA，模拟的整个范围为341—1 061 °CA，共720 °CA，为一个完整的发动机工作循环.

1.2 工况选择

参考一般汽油机开阀喷射和闭阀喷射2种喷射模式的优点，结合氢气作为气体燃料密度小等特点，本研究假定进气门打开时刻到进气门关闭时刻之间的时间段(341—605 °CA)为喷氢的可用范围，在确定结构参数(喷孔位置、喷孔面积、喷射角度)和运转参数(转速4 500 r/min)下，研究喷氢持续期为45 °CA的不同喷氢时刻对混合气形成质量的影响.考虑到气门叠开时可燃混合气可能过早进入气缸并从排气门流出造成资源浪费和高温残余废气过早与可燃混合气接触造成回火等异常燃烧的情况，本研究选择的最早喷氢始点为370 °CA，后续研究的每组喷氢始点依次推迟20 °CA，共8组.具体的模拟工况如图2所示.

图2 喷射持续期相位图

2 结果分析

2.1 不同喷氢时刻对缸内外氢气总量的影响

模拟采用的喷射压力为0.3 MPa，喷氢持续期为45 °CA，因此首先给出模拟各工况在喷氢结束后获得的氢气总质量.通过表1可以发现，各组仿真得到的单循环氢气总量稍有不同，平均值为3.63×10-6kg，正负偏差不超过6%.造成这种差异的原因是不同喷氢时刻喷氢孔和进气道压差不同，喷氢始点稍早时，喷氢总量稍多，随着喷氢始点的继续推迟，喷氢总量基本相同.

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在进气道喷射模式下，一定喷射脉宽的氢气随着进气射流从进气道沿着气门与缸盖间的圆周缝隙进入气缸，氢气占据气缸和进气道内的部分容积.不同喷氢时刻势必对氢气在气缸和进气道内的分布造成影响.在获得不同喷氢时刻每循环喷氢总量的条

件下，得到图3的缸内氢气总质量随曲轴转角的变化规律.

图3 不同喷氢时刻缸内氢气质量随曲轴转角的变化图

参 数组 次12345678m/(10-6kg)3．863．683．583．493．603．643．573．64me/(10-6kg)3．473．333．313．363．372．582．362．01φ0．610．570．550．570．610．470．410．31

注：m—单循环供氢总量；me—进气门关闭后缸内氢气总质量；φ—进气门关闭后缸内当量比.

喷氢开始后，在喷氢时段(持续45 °CA)缸内氢气总质量随曲轴转角增大迅速增加，呈线性规律.8组不同喷氢始点得到的喷氢曲线前半部分斜率相当，说明初始阶段氢气进入气缸的速率相当.喷氢结束后，缸内氢气增加的趋势有所减缓.在前4组中，结合喷氢总量，发现前4组的所有氢气都可以完全进入气缸，出现了图中最高位置的水平段.经历了最高位置的水平段后，至压缩行程的初期，开始出现明显的回流现象，缸内氢气质量开始减少，回流持续到进气门关闭时刻605 °CA.在第5组喷氢始点为450 °CA时，喷氢总量并不能完全进入气缸，但出现的水平段和回流时刻和前4组基本相同.在第6—8组中，喷氢总量不能完全进入气缸，并且在喷氢结束后立即出现了氢气的回流现象，使得缸内氢气迅速减少.在进气门关闭后，第1—5组获得的缸内氢气质量基本相同，而第6—8组缸内氢气质量明显少于第1—5组.

2.2 不同喷氢时刻对缸内速度场分布的影响

选择1，5，6三组具有代表性的喷氢时刻，研究缸内外速度场的分布.混合气在进气门和气门座间隙形成的不稳定的自由剪切层在进入气缸后的突扩阶段断裂后形成环形的旋涡.由于间隙十分狭小，采用进气道喷射时，喷氢对于缸内速度的增大作用十分有限.5，6两组的喷氢结束时刻接近活塞运行到下止点的位置，此时缸内容积增大有限，大量的混合气已经进入气缸，缸内外速度场分布有很大区别.从图4中可以看出，在活塞位于下止点(540 °CA)时，第6组的进气门附近流速远远大于1，5两组，在进气道内出现了高速的回流现象，而1，5两组在进气门附近形成了微小的涡团，回流速度很小.这是造成气门关闭后缸内氢气质量明显少于1，5两组的原因.在一定压力、温度和气缸容积下，气缸对混合气承载总量是有限的，因此较早喷氢才能保证有足够的高浓度混合气在进气门关闭后存留在气缸内.

图4 540 °CA时缸内速度场分布图

2.3 不同喷氢时刻对缸内当量比分布的影响

表1给出了进气门关闭后缸内当量比的数值.在第1—5组缸内当量比相当的情况下，在点火时刻(686 °CA点火)之前，1，3，5组缸内当量比的三维分布如图5所示.从图5中可以看出，喷氢时刻不同，混合气的混合状况有较大不同.虽然三组整体上都是在排气门附近混合气较浓，但是三组所有体积微元的当量比范围分别是0.08～0.95，0.06～0.92，0.07～1.49.随着喷氢始点的推迟，混合气的均匀性有所下降.造成混合气均匀性下降的原因有两个：一是喷氢时刻较晚，氢-空气在点火之前没有充足的时间混合；二是进气行程末期到压缩行程初期，缸内外混合气流速较低，对高浓度氢气团的搬运作用减弱.

图5 685 °CA时缸内当量比分布图

3 最优喷氢时刻的选择

选择最优喷氢时刻需要建立评价喷氢时刻优劣的标准.在这里选择有效喷氢率、混合气的均匀程度和降低氢发动机异常燃烧3个方面来分别论述.

1)针对喷氢脉宽相同、不同喷氢始点在进气门关闭后缸内氢气质量有差别的现象，定义有效喷氢率为

(1)

式中：me为进气门关闭后缸内氢气总质量，kg；m为单循环供气总量，kg.

只有在m基本相同的情况下，比较η才有意义.喷氢始点较晚，大量高浓度混合气未能流入气缸和高速的回流现象造成了me的减少，使得η变小.在不改变喷氢始点的前提下，有效喷氢率越低，势必会采用增大喷氢压力或延长喷氢脉宽等方式来获得满足该工况的足够氢气量.

2)混合气的均匀性越好，越有利于燃烧组织和防止局部温度过高造成氮氧化物的升高，这里应用AVLFire软件自带函数库里的当量比均匀性系数来量化混合气的均匀性.图6给出了不同组别在点火时刻之前缸内当量比的均匀性系数值.在获得较高当量比的喷氢时刻(第1—5组)，随着喷氢始点的向后推移，缸内当量比的均匀性有所下降，但下降幅度较小.在第6—8组缸内当量比较小，当量比均匀性也较差，是不宜采用的喷氢时刻.

图6 685 °CA时缸内当量比均匀性系数

3)在高速、大负荷下，喷氢时刻较早，容易使得较浓混合气和缸内高温残余废气接触，造成回火等异常燃烧现象[9].因此从抑制回火等异常燃烧的角度，希望喷氢始点能够有所推迟.

综合以上3个方面，对于高速、大负荷工况下，450 °CA喷氢时缸内当量比较高，均匀性较好，并且符合抑制异常燃烧推迟喷氢的要求，是该工况下相对最优喷氢时刻.

4 结 语

1)进气道喷射氢发动机的混合气形成过程主要体现在空气流动对氢气的搬运作用.进气道喷射氢发动机不同喷射时刻对缸内速度场分布的影响较小.

2)不同喷射时刻对缸内混合气的质量和均匀性有较大影响.作为气体燃料，喷射本身占据大量的体积，为保证缸内获得满足工况要求的均匀混合气，喷氢时刻不宜过晚.

3)探讨不同喷氢时刻对混合气形成过程的影响，提出了合理的优化喷氢时刻的方法.

[1]Saravanan N,Nagarajan G.An experimental investigation on a diesel engine with hydrogen fuel injection in intake manifold[J/DB].SAE Paper 2008-01-1784.

[2]Huyskens P,Van Oost S,Goemaere P J,et al.The technical implementation of a retrofit hydrogen PFI system on a passenger car[J/DB].SAE Paper 2011-01-2004.

[3]段俊法,刘福水,孙柏刚.PFI氢内燃机的氢-空气混合特性[J].车用发动机,2014,212(3):29-32.

[4]楚朝阳,杜明侠,任天乐.车用柴油机三种代用燃料的性能分析[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2014,35(1):77-80.

[5]Sebastian Verhelst,Roger Sierens.Combustion studies for PFI hydrogen IC engines[J/DB].SAE Paper 2007-01-3610.

[6]潘小亮,胡铁刚,于涛,等.氢内燃机在不同点火提前角下的燃烧特性分析[J].汽车工程学报,2011,1(3):221-225.

[7]杨振中.氢燃料内燃机燃烧与优化控制[D].杭州:浙江大学,2001.

[8]Thomas Wallner.Efficiency and emissions potential of hydrogen internal combustion engine vehicles[J/DB].SAE Paper 2011-26-0003.

[9]Munan Hong,Jianyong Zhang,Xihao Li,et al.Effect of injection timing on backfire of port injection hydrogen engine[J/DB].SAE Paper 2008-01-1788.

(责任编辑：杜明侠)

Influence of Hydrogen-injected Timing on Fuel-air Mixture Formation of Hydrogen Engine with Port Fuel Injection

HUANG Yan, HU Lelei, YANG Yakun

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

Hydrogen becomes an alternative fuel of engine because of clean combustion. To research the fuel-air mixture formation of hydrogen engine under different hydrogen-injected timings, a three-dimensional simulation model of hydrogen engine with port fuel injection was established using AVL Fire software. The variational regulations of concentration field and velocity field in and out a cylinder were analyzed, then the formation conditions of fuel-air mixture was comprehensively evaluated from the angle of abnormal combustion, such as backfire, and so on. According to the mixture uniformity coefficient and the effective hydrogen-injected rate, the hydrogen-injected timing of Hydrogen engine with port fuel injection was optimized under the conditions of high speeds and large loads.

hydrogen engine; mixture formation;hydrogen-injected timing; uniformity

2014-11-12

黄 研(1989—),男,河南周口人,硕士研究生,主要从事清洁能源车用发动机燃烧及优化方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.014

TK431

A

1002-5634(2015)01-0066-04