气门重叠角对HCNG发动机回火性能的影响

周磊，何义团，袁俊勇，邵毅明

(重庆交通大学交通运输工程重点实验室，重庆 400074)



气门重叠角对HCNG发动机回火性能的影响

周磊，何义团，袁俊勇，邵毅明

(重庆交通大学交通运输工程重点实验室，重庆 400074)

为研究某高压缩比HCNG发动机的回火特性，进行了发动机回火工况台架试验，结合试验数据，建立HCNG发动机三维仿真模型，对不同气门重叠角下的回火性能进行仿真计算。试验与仿真结果表明：压缩比越高，发动机越容易回火；其他条件不变，较小的点火提前角容易引起回火；原机气门重叠角较大，压缩比提高，导致进气口富氢新鲜充量受热，这是造成回火的重要原因；随着气门重叠角的减小，发动机功率以及最高燃烧压力降低，当气门重叠角为0°时，可有效避免回火。

氢发动机； 天然气发动机； 回火； 仿真； 气门重叠角

随着工业的发展和汽车保有量的增加，环境污染日益严重，同时，化石燃料的储量也有限，为减轻环境污染和缓解能源危机，人们迫切需要寻找替代能源和新能源[1]。天然气掺氢燃料(HCNG)是将氢气与天然气按照一定比例混合而成的车用替代气体燃料[2]。天然气掺氢后可以提高燃烧速度，拓宽稀燃极限，容易实现稀薄燃烧[3-5]，降低温室气体排放[6-8]。因此，天然气掺氢燃烧发动机将是氢能应用于发动机最有前途和最具可行性的方式[9]。

Huynh等[10]的研究表明，气门重叠角对回火的影响非常大，通过改变气门重叠角，并采用增压技术，不仅消除了回火现象，且发动机的性能等于或优于原汽油机。S.Verhelst等[11]在1台汽油机上采用连续可变气门技术(CVVT)，根据发动机工况采用不同的配气正时，有效防止了掺氢汽油机的回火问题。刘兴华、刘福水等[12]的研究表明，当气门正时固定时，喷氢太早或喷射结束太晚，都会增加回火的可能性，对于进气道喷射的氢气发动机，回火是应该首先攻克的技术难关。在此基础上，段俊法[13-14]利用三维模拟技术研究了进气道喷射氢内燃机，提出通过优化喷氢相位，使低浓度混合气在进气门打开时首先进入气缸，降低缸内废气和热点温度，从而抑制回火的方法。

通过已有的试验研究发现，当压缩比提高后，HCNG发动机在较低的负荷条件下便发生回火现象[15]。为解决高压缩比条件下HCNG发动机回火问题，本研究采用减小气门重叠角的方法，结合试验数据，利用AVL Fire软件建立HCNG发动机三维仿真模型，研究配气相位对高压缩比HCNG发动机回火特性的影响。

1 试验装置与试验方法

本研究基于一款6缸天然气发动机，其气门重叠角为30°，主要技术参数见表1。试验设备参见文献[3]。该发动机电控系统采用ITMS-6F电控单元。

表1 原天然气发动机主要技术参数

课题组前期的试验研究表明，由于原机的气门重叠角较大(30°)，将压缩比提高到11∶1，燃料为天然气(CNG)时，即使在1 200 r/min转速下的低负荷(进气歧管绝对压力(pamip)为90 kPa)工况，发动机也会发生回火现象；将压缩比提高到12∶1时，则在进气歧管绝对压力为70 kPa条件下便发生回火现象；当燃料为HCNG时，则在更低的负荷时就发生回火现象。

表2列出部分发动机试验工况。点火提前角从28°BTDC到16°BTDC，间隔2°。工况稳定后，测量缸压、排放和动力性参数。

表2 发动机试验工况

通过试验发现，压缩比越高发动机越容易发生回火现象。当ε=11，n=1 600 r/min，pamip=90 kPa，θig=16 °，φa=1.6时，发动机发生回火现象，如图1中星号标记所示。

2 配气相位优化设计

为了解决高压缩比条件下HCNG发动机的回火问题，应该尽可能减小气门重叠角。为此，本研究在原机30°气门重叠角的基础上，重新优化设计了两组配气方案，气门重叠角和进排气门开闭时刻见表3。

表3 配气相位优化方案

3 仿真模型的建立与验证

3.1 仿真模型的建立

取ε=11的发动机实体几何模型，转换为STL面网格格式导入AVL Fire中，结合原机以及重新设计的两组气门升程曲线，利用Fame Engine Plus(FEP)自动网格生成工具，建立发动机整个循环进气道-气缸-排气道的动态计算网格(见图2)。

针对此计算网格，在Fire中设定求解器(GUI Solver)参数，根据发动机台架试验以及一维整机性能仿真模型得到所需的边界条件。本研究选用的计算模型包括κ-ε双方程湍流模型、CFM-2A燃烧模型、简化火花塞点燃模型以及Zeldovich NOx排放模型。

3.2 模型校核与验证

选择图1中的回火工况来验证模型的准确性，将缸压模拟值与试验值进行对比，结果见图3。由图3可以看出，模拟结果与试验结果最大差别出现在压力峰值处，试验的最大压力峰值出现在737°，为3.68 MPa，模拟的最大压力值出现在738°，为3.51 MPa，误差为4.8%。模拟结果与试验结果吻合良好，验证了模型选取的合理性，同时为后续不同气门重叠角HCNG发动机模拟计算工作中模型参数的设置也提供了依据。

4 计算结果及分析

针对ε=11的HCNG发动机，在n=1 600 r/min，pamip=90 kPa，θig=16°BTDC，φa=1.6时，研究气门重叠角对HCNG发动机回火性能的影响。

4.1 气门重叠角对缸内压力及功率的影响

图4示出发动机功率随气门重叠角的变化。由图4可以看出，随着气门重叠角的减小，功率呈下降趋势。不难理解，随着气门重叠角的减小(进气门延迟开启、排气门提前关闭)，进入气缸内的混合气减少且缸内残余废气增多，从而降低了发动机的做功能力。

图5示出缸内燃烧压力随曲轴转角的变化。从图5可看出，随着气门重叠角的减小，燃烧压力峰值明显降低，且压力峰值相位也略推迟。这主要是由于随着气门重叠角减小，缸内残余废气增多，再加上残余废气对进气的加热作用，使得可燃混合气体充量降低，同时缸内残余废气还对可燃混合气起到了一定的稀释作用，因而，着火延迟期增大，火焰传播速率下降。

4.2 气门重叠角对缸内流场及温度分布的影响

分析了360°，362°，364°，368° 4个时刻不同气门重叠角下缸内流场及温度变化的情况，其中，切片截面是沿着曲轴轴向方向(见图6)。

图7示出不同气门重叠角下362°曲轴转角时刻的流场分布。从图7可看出，最大速度出现在气门喉口附近，并且排气道和缸内的废气向进气道回流。这是因为进气初期排气道、气缸与进气道之间存在较大的压差(回火工况排气上止点前缸压数据见表4，可以发现排气上止点前缸内压力均比进气道压力大)，从而出现排气回流到进气道的现象。随着进气门开度的增加，进气量逐渐增加，进气道压力与缸内压力逐渐趋于一致，排气倒流现象逐渐减弱。

图8示出不同气门重叠角、不同曲轴转角下进气道及缸内的温度分布。结合图7分析可知，对于原机(气门重叠角30°)，在排气冲程上止点位置，进气口处出现了较为明显的回火现象。这是由于气门重叠角较大，对于排气冲程末端，进排气门开度均较小，缸内高温废气受活塞挤压，部分废气会被挤压到进气口位置，提高了进气口位置的温度，使得该处的新鲜充量受热，加上HCNG燃料中富含氢气，容易着火，大大增加了回火的可能性。

表4 回火工况缸压

在3种气门重叠角下，随着曲轴转角的增大(即进气门开度增大)，缸内新鲜工质逐渐增多，缸内温度逐渐降低。与此同时由于活塞处于下行阶段，缸内压力逐渐降低，也会使缸内温度下降。

在0°气门重叠角下缸内温度最高。这是因为当气门重叠角为0°时(排气门刚关闭、进气门刚打开)，与14°和30°重叠角下进气门提前打开相比，进入缸内的新鲜工质几乎为0，因此缸内温度较高。

随着气门重叠角的逐渐减小，进气门处新鲜工质也逐渐减少。当气门重叠角为0°时，尽管此时缸内高温废气向进气道回流(见图7c)，但由于进气门处新鲜工质几乎为0，从而有效避免回火的发生。

5 结论

a) 台架试验表明，压缩比越高，发动机越容易回火；其他条件不变，较小的点火提前角容易引起回火；

b) 仿真结果表明，气门重叠角较大时，压缩比提高，导致缸内高温废气受活塞挤压，部分废气会被挤压到进气口位置，提高该位置的温度，使得此处的新鲜充量受热，HCNG燃料中富含氢气，容易着火，这是造成回火发生的重要原因；

c) 随着气门重叠角的减小，发动机功率降低，燃烧压力也随之降低，当气门重叠角为0°时，可有效避免回火的发生。

[1] 王忠，郑国兵，张育华，等.氢燃料发动机及其起动过程研究[J]．车用发动机，2007(6):1-4.

[2] 刘海全，马凡华，殷勇.天然气掺氢发动机的研究现状和发展趋势[J]．车用发动机，2006(4):1-5.

[3] Ma Fanhua,Ding Shangfen,Wang Yefu,et al.Performance and emission characteristics of a spark-ignition(SI) hydrogen-enriched compressed natural gas (HCNG) engine under various operating condition including idle conditions[J]．Energy&Fuels,2009,23(6):3113-3118.

[4] 姜磊，李兴虎，王宇，等.天然气/氢气混合燃料发动机的稀燃极限和排放特性试验研究[J]．汽车工程，2008(3):197-201.

[5] Per Tunestål,Magnus Christensen,Patrik Einewall,et al.Hydrogen Addition For Improved Lean Burn Capability of Slow and Fast Burning Natural Gas Combustion Chambers[C]．SAE Paper 2002-01-2686.

[6] Wang Jinhua,Huang Zuohua,Fang Yu,et al.Combustion behaviors of a direct-injection engine operating on various fractions of natural gas-hydrogen blends[J]．International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(15):3555-3564.

[7] Murari M R,Eiji T,Nobuyuki K,et al.Performance and emissions of a supercharged dual-fuel engine fueled by hydrogen-rich coke oven gas[J]．International Journal of Hydrogen Energy, 2009,34(23):9628-9638.

[8] 马凡华，孙宁.天然气掺氢燃烧及排放性能的元素势能法分析[J]．车用发动机，2005(5):28-30.

[9] 黄佐华.内燃机节能与洁净利用开发与研究的现状与前沿[J]．汽车安全与节能学报，2010,1(2):89-97.

[10] Huynh T C,Kang J K,Noh K C,et al.Controlling backfire for a hydrogen-fueled engine using external mixture injection[M]．Proceedings of the ASME:J E Gas Turbines and Power，2008，130:062804-1-8.

[11] Verhelst S,Demuynck J,Sierens R,et al.Impact of variable valve timing on power, emissions and backfire of a bi-fuel hydrogen/gasoline engine[J]．International Journal of Hydrogen Energy,2010,35:4399-4408.

[12] Liu Xinghua,Liu Fushui,Zhou Lei,et al.Backfire prediction in a manifold injection hydrogen internal combustion engine[J]．International Journal of Hydrogen Energy,2008,33:3847-3855.

[13] 段俊法，刘福水，孙柏刚.进气道燃料喷射氢内燃机回火机理与控制研究[J]．农业机械学报，2013,44(3):1-5.

[14] 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(3):29-32.

[15] 何义团.HCNG发动机燃烧排放特性与氢发动机怠速特性研究[D]．北京：清华大学，2011.

[编辑：袁晓燕]

Influence of Valve Overlap on HCNG Engine Backfire

ZHOU Lei, HE Yi-tuan, YUAN Jun-yong, SHAO Yi-ming

(Key Laboration of Traffic & Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In order to research the backfire performance of HCNG engine with high compression ratio, the bench test of backfire conditions was carried out.The 3D model of HCNG engine was built based on the test data and the backfire characteristics under different valve overlaps were simulated.The test and simulation results show that the backfire phenomenon is easier to occur for the engine with higher compression ratio.In addition, smaller ignition timing can easily cause backfire with other operating conditions unchanged.The large valve overlap improves compression ratio so that the enriched hydrogen is heated, which is an important factor for backfire.The engine power and maximum combustion pressure decrease with the decrease of valve overlap and the backfire phenomenon can be avoided when the valve overlap is 0°.

hydrogen engine; compressed natural gas engine; backfire; simulation; valve overlap

2014-08-25；

2015-01-04

国家“863”基金项目(2012AA111718)

周磊(1990—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机代用燃料及性能模拟；15215060695@163.com。

何义团(1977—)，男，教授，博士，主要研究方向为内燃机代用燃料；heyituan@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.009

TK421.3

B

1001-2222(2015)02-0045-04