不同参数对氢内燃机性能的显著性影响

洪琛

摘要：本文以一台单缸进气道喷射式氢内燃机为对象，利用数值模拟的方法，基于L25（56）的正交试验表，选取当量比、点火正时、喷氢压力、喷氢正时和EGR率对嘉陵JH600氢内燃机的动力性（指示功率）、经济性（指示热效率）和排放（NO质量分数）进行综合性研究。结果表明：各参数对指示功率、指示热效率和NO质量分数的影响显著性不尽相同;当量比为0.95，点火正时为702°CA，喷氢压力为2.0bar，喷氢正时为421°CA，EGR率为4%时，氢内燃机的指示功率及指示热效率最大且NO质量分数处于可接受的水平;通过优化参数取值可以最大程度上获取较优的氢内燃机综合性能，但是无法使各项性能达到最优。

关键词：正交试验;指示功率;指示热效率;NO质量分数

1 引言

氢内燃机研究的起源可以追溯到19世纪中期，但直到20世纪初期，实用性的氢内燃机才开始出现。随后，掀起了研究氢内燃机的热潮。L.M.DAS等人[1]阐述了氢氧反应机理对氢发动机燃烧的影响;杨振中等人[2]较早地对氢燃料发动机点火正时和喷射系统的最优控制进行了研究。

本研究从仿真试验角度出发，基于正交试验，利用嘉陵JH600单缸氢内燃机三维模型，研究了当量比、点火正时、喷氢压力、喷氢正时和EGR对嘉陵JH600单缸氢内燃机的动力性（指示功率）、经济性（指示热效率）和排放（NO质量分数）的显著性影响。

2 计算模型和仿真试验方案

2.1 计算模型

本文以嘉陵JH600汽油机为原型，在原有技术基础上将其改装为进气道喷射式氢内燃机。其连杆长度为137mm，缸径为94mm，行程为85mm，压缩比为9.7。

2.2 边界条件和初始条件

进气道温度、压力分别为300K、0.1MPa，燃烧室温度、压力分别为950K、0.108MPa，排气道温度、压力分别为900K、0.106MPa，气缸壁温480K，气缸盖壁温600K，活塞表面温度600K。

2.3 仿真试验方案

在n=2000rpm工况下，选定当量比（0.5/0.65/0.8/0.95/1.1）、点火正时（684/693/702/711/720°CA）、喷氢压力（2/2.5/3/3.5/4bar）、喷氢正时（394/403/412/421/430°CA）和EGR率（0/4/8/12/16%）。根据综合试验设计，需要进行55次模拟来完成这项研究，这显然是不现实的。鉴于正交设计的优良特性，故采用具有L25（56）的正交试验表进行仿真计算。

3 结果及分析

3.1 指示功率计算分析

3.1.1 指示功率的极差分析

由上表1可知，各因素对指示功率均有一定影响，各因素对指示功率的影响由大到小依次为：A（当量比）→E（EGR率）→C（喷氢压力）→D（喷氢正时）→B（点火正时）。

3.1.2 当量比与指示功率之间的关系

图1给出了指示功率随H2/air混合气当量比的变化规律。从图中可以得到：指示功率随当量比的增加呈现先升高后降低的趨势，在当量比为0.95时达到最大，此时的指示功率为7.182KW;当量比由0.5增加至0.95，指示功率迅速升高，这说明在该范围内指示功率对当量比的变化较为敏感;当量比由0.95增加至1.1，指示功率逐渐降低，这可能是混合气过浓，空气不足，使得燃烧不充分，进而导致指示功率降低。

3.1.3 点火正时与指示功率之间的关系

指示功率随着点火正时的推迟先升高后降低，在点火正时为711°CA时指示功率最高，其值为6.666KW;适当推迟点火正时有利于提高氢内燃机的指示功率，但过度推迟点火正时会使氢内燃机的动力性遭到严重损失。

3.2 指示热效率及NO质量分数的极差计算分析

同理，按照同样的计算和分析方法，列出相应的极差计算表，画出各参数与指示热效率及NO质量分数的因素-指标图，最终可得：（1）各因素对指示热效率的影响由大到小依次为：E（EGR率）→C（喷氢压力）→A（当量比）→B（点火正时）→D（喷氢正时）;（2）即各因素对NO质量分数的影响由大到小依次为：E（EGR率）→A（当量比）→D（喷氢正时）→C（喷氢压力）→B（点火正时）。

4 结论

（1） 各因素对指示功率的影响由大到小依次为：A（当量比）→E（EGR率）→C（喷氢压力）→D（喷氢正时）→B（点火正时）。

（2） 各因素对指示热效率的影响由大到小依次为：E（EGR率）→C（喷氢压力）→A（当量比）→B（点火正时）→D（喷氢正时）;

（3） 各因素对NO质量分数的影响由大到小依次为：E（EGR率）→A（当量比）→D（喷氢正时）→C（喷氢压力）→B（点火正时）。

参考文献：

[1] L. M. DAS. Hydrogen-oxygen reaction mechanism and its implication to hydrogen engine combustion. Int J Hydrogen Energy 1996; 21：703-715.

[2] Zhenzhong Yang， Jianqin Wei， Zhuoyi Fang， Jinding Li. An investigation of optimum control of ignition timing and injection system in an in-cylinder injection type hydrogen fueled engine. Int J Hydrogen Energy 2002; 27：213-217.