基于AVL－FIRE模拟的氢内燃机转速对其燃烧特性的影响

李清博，路 斌，孟育博

(华北水利水电学院，河南郑州450045)

近些年，世界上许多学者对氢内燃机进行了研究，并取得了一些成果，推动了氢内燃机的发展［1－6］.笔者应用 AVL－FIRE 软件对嘉陵500氢燃料发动机进行了模拟，以研究转速对其燃烧特性的影响规律.

1 模型的建立

1.1 模拟对象

试验用内燃机为经过改装的嘉陵500发动机，水平放置，风冷，排量 0.498 L，缸径 80 mm，冲程80 mm，压缩比4.8，喷氢压力 0.2 MPa.模拟过程采用的过量空气系数2.1，点火提前角10°CA.

1.2 模型网格

文中主要模拟发动机的燃烧部分，燃烧部分的计算域是随着活塞的移动而改变的.网格的生成步骤如下:

1)用SolidWorks软件建立发动机的三维CAD模型，并导入FIRE内进行网格划分，如图1所示.

2)进行网格划分后可以得到300°CA时刻的体网格.

3)检查体网格，对不符合要求的进行修改.

4)建立.fep文件，进行相应的设置，并划分动网格.动网格的划分很重要，它直接影响到计算结果的精度.

图1 发动机三维模型网格

2 模拟边界

边界条件对计算结果的精度很重要，该发动机模型的边界条件见表1.

表1 边界条件

流动模型采用κ－ζ－f湍流模型，燃烧模型采用CFM-2A连续火焰燃烧模型，碳烟生成模型采用Kennedy－Hiroyasu－Magnussen模型.

3 模拟结果与分析

3.1 转速对缸内压力的影响

图2给出了不同转速下的压力示功图.由图2可以看出，随着转速的增加，最高压力逐渐下降.说明节气门开度不变的情况下，进入汽缸内的新鲜充量变少，最高压力也随之变低.

图2 不同转速的压力示功图

由图3可以看到，随着转速的增加，缸内最高压力逐渐下降;最高压力出现在上止点(360°CA)后10°～11°CA，此时在保证发动机平稳运行的前提下，能获得最大的有效功率.

图3 缸内最高压力和其对应的曲轴转角与转速的关系曲线

3.2 转速对指示热效率及循环变动系数的影响

图4给出了指示热效率与转速之间的关系.从图中可以看出，指示热效率随着转速的增加而增加，当转速增加到2 200 r/min时候，指示热效率达到最高，然后随着转速的升高逐渐下降.说明在点火提前角固定的情况下，转速增加会使得燃烧不充分，造成指示功下降，故热效率降低.这种情况下，会造成燃烧稳定性下降，循环变动系数升高，如图5所示.图5中的循环变动是采集100个连续循环过程中每个循环的平均指示有效压力除以它们的均值得来.

4 结语

通过模拟分析不同转速下氢内燃机的燃烧特性，可以看出，该内燃机能很好地适应中低转速;最高压力会随着转速的上升逐渐下降;指示热效率随着转速先升高后下降;转速升高到一定程度时，发动机工作状态会恶化，表现为指示热效率下降，循环变动系数升高，需要进一步改变相关参数.

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