喷孔面积对氢内燃机进气以及缸内温度和废气分布的影响

2015-08-12胡乐磊

河南科技 2015年1期

关键词：进气门喷孔进气道

胡乐磊

（华北水利水电大学，河南郑州 450011）

随着燃氢发动机研究的日益深入，解决燃氢发动机早燃回火等异常燃烧问题已经成为燃氢发动机研究的重中之重。进气道喷射氢发动机由于结构简单，改装相对容易，成为实验研究的首选。

氢内燃机早燃回火是氢内燃机异常燃烧的重点，大部分学者认为缸内的高温残余废气和高温热点是造成回火的主要原因[1-2]。因此研究喷孔面积对进气初期进气道气体浓度以及缸内废气和高温区的分布的影响，对燃氢发动机的回火研究有重要意义。

利用AVL-fire 进行计算[3]，通过仿真获得喷孔面积对进气过程、燃烧过程的影响，从而获得改变喷射结构抑制回火的途径。

1 模型的建立

1.1 几何模型

本文以嘉陵JH600 发动机为原型，用SolidWorks 建立三维仿真模型。

图1 三维计算网格

为了简化计算，在建立仿真模型时，考虑气缸和进气管的对称性，建立了仅包含半个进气管（双喷孔）、半个气缸和半个排气管的三维计算网格。图1 所示喷孔直径为3mm 的三维计算网格（其余模型网格不再一一列出）。

表1 内燃机参数Tab.1 Engine parameters

1.2 计算参数设定[4]

实验测得，当喷氢压力处于0.2-0.4MP 之间时，发动机可以正常启动，所以本文将氢气喷射压力设定为0.3Mpa。进气温度、压力、流量等初始条件通过试验测定，传热系数、摩擦因数根据经验公式获得，其他初始条件和边界条件参考经验值选取。转速为最大扭矩转速4500r·min-1，空气进气温度为305K，进口压力为0.1MPa，氢气喷入温度为300K，进气道温度为390K，排气道温度为455K，气缸的壁面温度为440K，燃烧室的壁面温度为576K，气缸表面温度为576K。初始压力缸内为0.15MPa，初始温度为810K。进气门打开时间341-605°曲轴转角，排气门打开时间867-1103°曲轴转角（本文只计算341°-1061°两次进气门开启之间的工作循环）。

由于当量燃空比大于0.6 时，氢发动机会发生较为严重的回火，难以正常工作，因此以转速4500r·min-1、当量燃空比0.6 表征高转速大负荷。算例参数如表2 所示。

表2 算例参数

2 结果与分析

2.1 喷孔面积对进气初期进气道内氢气浓度变化的影响

进气道喷射氢内燃机进气道回火产生的主要原因是进气初期进气道较浓的氢气混合气被回流的高温废气及进气门附近热点引燃。在进气初期，降低进入进气道混合气的浓度可以在一定程度降低发生回火的几率。

本文以3mm、4mm、5mm、6mm 喷孔直径为例，保证喷氢开始时刻相同均为400°CA，在缸内喷入燃料的质量、浓度相同的前提下，对进气过程中进气道氢气的浓度变化进行模拟分析。其进气道氢气浓度变化如图2 所示，进气道内速度场的分布如图3 所示。

在进气初期，由于喷射压力相同，随着喷孔面积的增大，进气道氢气浓度急剧增加。随着喷孔面积增大，进气道内气体流动的速度有所增加，致使部分氢气积存在进气道内不能快速进入汽缸内，也导致进气道内混合气浓度增加过快。发动机在气门重叠初期，由于缸内压力、温度相对很高，部分高温废气会回流到进气道，在进气初期进气道氢气浓度急剧升高，浓度较高的混合气则更容易被高温回流的废气点燃，造成回火。在喷射时刻相同、工况相同的情况下，在满足发动机进气量需求的前提下，减小喷孔直径将降低进气道喷射氢内燃机回火发生的概率。