高压缩比HCNG发动机回火工况三维仿真分析

何义团，周 磊，袁俊勇，邵毅明，邓 彪

(重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074)



高压缩比HCNG发动机回火工况三维仿真分析

何义团，周 磊，袁俊勇，邵毅明，邓 彪

(重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074)

为研究某高压缩比HCNG发动机回火机理，进行了发动机回火工况台架试验。结合试验数据，利用AVL-Fire软件建立HCNG发动机三维仿真模型，对回火工况进行仿真计算。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；由于气门重叠期较大，压缩比提高，导致高温废气回流到进气道，这是造成回火的原因之一；排气冲程末端的无效点火，使得进气门附近的温度进一步提高，加大了回火的趋势。

车辆工程；HCNG发动机；回火；三维仿真；压缩比

氢气是一种清洁可再生燃料，但由于氢气燃烧温度高可能会产生大量NOX排放，因此控制NOX排放成为目前研究氢内燃机的一个主要方向[1-2]。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气体燃料。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]，降低温室气体排放[4-5]。因此，天然气掺氢燃烧发动机将是氢能在燃烧发动机上应用最有前途和最具可行性的方式[6]。

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。为了研究高压缩比条件下HCNG发动机的回火机理，结合试验数据，利用AVL-Fire软件分别建立压缩比为10，11的HCNG发动机三维仿真模型，对回火工况进行仿真计算，从而分析高压缩比条件下HCNG发动机回火机理，为HCNG发动机的开发提供一定的理论优化依据。

1 回火工况试验与分析

试验用原机为天然气发动机，主要技术参数见表1，试验设备参见文献[7]。该发动机电控系统采用DELPHI公司ITMS-6F电控单元，该电控系统采用了两缸同时点火的无分电器点火技术，分组的两气缸同时点火的时候，其中一缸是在接近压缩上止点时发火(有效点火)，另一缸是在接近排气上止点时发火(无效点火)[8]。

表1 天然气原发动机主要性能参数

表2显示了不同压缩比发动机试验工况。点火提前角从28°CA BTDC变到16°CA BTDC，间隔2°CA BTDC。工况稳定后，测量缸压、排放和动力性参数。

表2 不同压缩比发动机试验工况

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

图1 功率随点火提前角变化曲线

2 仿真模型建立及验证

2.1 HCNG发动机三维仿真模型的建立

从发动机Pro/E装配模型里取出单个缸体的计算域，分别建立ε=10，11时发动机整个循环几何模型。共分为4种(图2)：①进气道+排气道+气缸(气门重叠期)；②进气道+气缸(进气门开，排气门关)；③气缸(进、排气门均关)；④排气道+气缸(进气门关，排气门开)。转换为STL面网格格式导入AVL-Fire中，再利用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。

采用Fire中的GUI Solver做燃烧模拟。根据发动机台架试验得到模拟所需的边界条件，主要边界条件见表3。笔者选用k-ε双方程模型作为湍流模拟、CFM-2A模型作为燃烧模拟、简化火花塞点燃模型作为点火模型以及Zeldovich NOxModel (AVL)作为NOx排放模拟。

图2 不同曲轴转角度数时的体网格

Table 3 Boundary conditions/K

2.2 模型验证

为了验证模型的准确性，选择2种典型工况，具体数据见表4。为了保证模拟计算的精度以及加速收敛速度，这就要求初始条件的设定需要与计算工况相匹配，并尽量与实际相接近。

表4 工况点数据

将工况1和工况2的模拟缸压值与试验值进行对比，如图3。2种工况的模拟值与试验值的误差均小于5%，模拟缸压最大值比试验缸压略低。因为几何模型、进气过程计算及经验性的燃烧模型等缘故，误差在所难免，但趋势基本符合，这说明此模型基本适用于HCNG发动机缸内混合气形成和燃烧的三维模拟研究。

图3 工况1和工况2缸压曲线

3 模拟计算结果及分析

为了研究压缩比对回火过程的影响，分析工况1和工况2缸内温度和流场分布情况，选取355，360°CA两个曲轴转角为代表。其中切片截面是沿着曲轴轴向方向，如图4。

图4 切片截面方向

3.1 压缩比对回火过程的影响

在气门重叠期，气道及缸内流动的变化较为剧烈，图5给出了工况1和工况2在355°CA曲轴转角下进、排气道及缸内速度矢量流场截面图。从图5可以看出，最大速度出现在气门喉口处附近，并且排气道和缸内的废气向进气道中倒流，如图5(c)。这是因为气门重叠期较大，并且进气初期排气道、气缸与进气道之间存在较大的压差，从而出现了排气回流到进气道中的现象。随着进气门开度的增加，进气量逐渐增加，进气道与缸内压力逐渐趋于一致，排气倒流现象逐渐减弱。还可以发现进气初期回流气体沿着进气门杆壁流动，并且进气门杆壁附近流速较大，这是因为进气初期进气门开度较小(355°CA，0.567 mm)，并且缸内压力比进气道压力高，此时进气门杆壁起到了导流的作用。

图5 工况1和工况2在355°CA曲轴转角下流场分布

图6给出了工况1和工况2在360°CA曲轴转角下进、排气道及缸内温度场的轴向截面图。从图6中可以看出，工况2缸内和排气道温度比工况1高，并且在进气门进口处出现了回火现象。这是因为进气初期活塞处于排气压缩冲程末端，且进、排气门开度均较小，压缩比越大，缸内废气受挤压程度越高，从而提高了缸内温度；随着高温废气回流到进气道中，使新鲜工质受热达到着火界限，从而大大增加了回火的可能性。

图6 工况1和工况2在360°CA曲轴转角下温度分布

3.2 无效点火对回火过程的影响

结合ITMS-6F电控单元的工作原理，当试验工况点火提前角为16°CA BTDC时，可以计算出无效点火的曲轴转角度数为344°CA。图7给出了工况2在360°CA曲轴转角下进、排气道及缸内温度场的轴向截面图。图7(a)不考虑无效点火的影响，图7(b)考虑无效点火的影响。可以看出，图7(b)中进气门处出现了回火现象。这是因为当发生无效点火时产生高能火花，使进气门附近温度升高，随着排气道和缸内高温气体向进气道中回流，回流气体将高能火花吹入进气道中，从而增加新鲜工质被点燃发生回火的可能性。

图7 工况2在360°CA曲轴转角下温度分布

通过图7可以看出，高压缩比条件下HCNG发动机回火是压缩比和无效点火共同作用的结果。

4 结 论

利用AVL-Fire建立HCNG发动机仿真模型，结合回火工况试验数据，研究HCNG发动机回火机理，得到如下结论：

1) 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。

2) 仿真结果表明，由于气门重叠期较大，压缩比提高，导致高温废气回流到进气道，这是造成回火的原因之一。

3) 由于排气冲程末端的无效点火，进一步提高了进气门附近的温度，从而加大了回火的趋势。

[1] 孙柏刚,刘福水.氢内燃机NOx排放特性的试验研究[J].内燃机工程,2011,32(2):53-56. Sun Baigang,Liu Fushui.Experimental study on NOxemissions of hydrogen internal combustion engine [J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2011,32(2):53-56.

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[5] 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.

[6] 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. Huang Zuohua.R & D current situation and frontier for energy-saving and clean utilization in internal combustion engines [J].Journal of Automotive Safety and Energy,2010,1(2):89-97.

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[8] 曹阳.汽油机电控单元原理机的研制及控制策略研究[D].上海:上海交通大学,2009. Cao Yang.The Development of Electronic Control Unit Prototype of Gasoline Engine and Control Strategy Research [D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2009.

3-D Simulation Analysis on Backfire Conditions of HCNG Engine with High Compression Ratio

He Yituan, Zhou Lei, Yuan Junyong, Shao Yiming, Deng Biao

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

In order to research the backfire mechanism of one HCNG engine with high compression ratio, an experiment of backfire conditions was carried out. On the basis of the engine specifications and experimental data, a 3-D model of HCNG engine was established by AVL-Fire software, which made the simulation calculation of backfire conditions. The test and simulation results show that, the engine is easier to backfire at the condition of higher compression ratios; if other conditions keep unchanged, backfire is likely to happen when the ignition advanced angle is closer to top dead center (TDC); large valve overlap and high compression ratio cause the waste gas with high temperature back flow to the intake ports, which is one of the causes of backfire; the invalid ignition close to the TDC of exhaust stroke increases the gas temperature near the intake valve, which raises the backfire trend.

vehicle engineering; HCNG engine; backfire; 3-D simulation; compression ratio

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.30

2013-03-13；

2013-05-31

重庆市自然科学基金项目(cstc2012jjA90012)；重庆交通大学研究生教育创新基金项目(20130126)

何义团(1977—)，男，四川旺苍人，教授，博士， 主要从事代用燃料发动机方面的研究。E-mail: heyituan@163.com。

U464.173

A

1674-0696(2015)01-140-04