噴氫量對(duì)氫--空氣混合及燃燒過(guò)程的影響

楊亞坤 陳威昌

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

無(wú)論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，在分析燃燒的過(guò)程時(shí)，不可或缺的一個(gè)邊界條件就是混合氣濃度條件，它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等［1-4］。

本文進(jìn)行了部分組合邊界條件（即定溫、定壓）對(duì)燃燒過(guò)程影響的細(xì)化性試驗(yàn)研究，求證混合氣濃度邊界條件對(duì)氫氣燃燒過(guò)程的影響。本研究利用壓力測(cè)試法進(jìn)行氫氣燃料火花點(diǎn)火方式下的相關(guān)試驗(yàn)，并處理壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到燃燒壓力曲線、壓力升高率、溫度曲線等燃燒過(guò)程參量。通過(guò)對(duì)比，結(jié)合化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析混合氣濃度條件對(duì)氫氣燃燒過(guò)程的影響規(guī)律。根據(jù)研究的總體規(guī)劃，制定如下試驗(yàn)方案：在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的可燃邊界范圍內(nèi)，保持在一定的初始溫度和初始?jí)毫?，以過(guò)量空氣系數(shù)為變量，進(jìn)行燃燒試驗(yàn)研究［5-7］。

1 噴射模型及仿真設(shè)置

根據(jù)可燃混合氣配制的計(jì)算，在相同壓力和溫度，不同過(guò)量系數(shù)下，向進(jìn)氣道內(nèi)注入一定體積的氫氣，使其和空氣完全混合成均勻的可燃混合氣。在確定的濃度范圍內(nèi)，進(jìn)行部分空燃比下的試驗(yàn)，分別選取過(guò)量空氣系數(shù)1.0、1.2、1.4、1.6和1.8五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際的氫內(nèi)燃機(jī)中，每循環(huán)的氫氣供給質(zhì)量取決于噴射壓力和噴射脈寬，噴射壓力越大，氫氣噴射的質(zhì)量流量越大，所需的噴射脈寬就越短。在噴孔直徑不變的條件下，質(zhì)量流量是噴射壓力的函數(shù)。

CONVERGE軟件中噴射模型不考慮氫氣的噴射壓力，直接將氫氣的質(zhì)量流量作為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，在仿真時(shí)需設(shè)定噴嘴的位置、噴射時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間及質(zhì)量流量。本文根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)確定質(zhì)量流量的大小。為了完整的分析整個(gè)進(jìn)氣過(guò)程，將進(jìn)氣仿真的初始時(shí)刻設(shè)定在-369℃A。在-368℃A進(jìn)氣門打開，-354℃A排氣門關(guān)閉，其間有14℃A的氣門疊開時(shí)刻。仿真的初始時(shí)刻進(jìn)氣管內(nèi)的初始?jí)毫υO(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)氣壓，溫度300K，氣缸內(nèi)初始溫度為750K。噴氫時(shí)刻-420℃A，轉(zhuǎn)速1 000r/min，2個(gè)噴氫閥，三維模型如圖1所示。

圖1 氫燃料內(nèi)燃機(jī)三維實(shí)體模型

2 氫氣的進(jìn)氣與混合過(guò)程

圖2為內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速1000r/min，噴射時(shí)刻-420到-388℃A，質(zhì)量流量0.0072mg/h氫氣的噴射及混合過(guò)程模擬。

圖2 氫氣的噴射過(guò)程

由圖2可知，在噴射初期，氫氣以穩(wěn)定的質(zhì)量流量通過(guò)圓形的氫氣噴嘴進(jìn)入進(jìn)氣道，進(jìn)入進(jìn)氣道的氫氣具有較高的壓力和速度。進(jìn)氣道內(nèi)的空氣壓力較低，因而氫氣氣流在氫氣噴嘴軸線方向上形成具有了一定貫穿距離的射流（如圖2，-413℃A），射流到達(dá)氫氣噴嘴對(duì)面的進(jìn)氣道內(nèi)壁后向四周散開（如圖2，-409℃A）。

沿著射流方向，氫氣射流的直徑在逐步擴(kuò)大。其原因在于氫氣具有較高的壓力，因而在氫氣和空氣接觸的邊界上會(huì)不斷向外擠壓擴(kuò)散，最終形成喇叭口狀的流束。在射流內(nèi)部具有很高的氫氣濃度，而在射流的外部是很高濃度的空氣。兩者都近似于理想氣體，由分子擴(kuò)散的規(guī)律可得知各自的分子會(huì)向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，因而沿著射流方向，喇叭口狀流束的邊界逐漸模糊和不規(guī)則（如圖2，-409℃A）。

由于噴射角度的原因，氫氣噴射的流束向進(jìn)氣門方向偏移，這種偏移增大了氫氣和空氣的接觸面積，有利于氫氣和空氣的相互擴(kuò)散，從而促進(jìn)其混合。在進(jìn)氣門開啟后，由于活塞的快速下行，進(jìn)氣道內(nèi)的空氣獲得了較高的流動(dòng)速度，進(jìn)氣道內(nèi)空氣向氣缸內(nèi)流動(dòng)帶動(dòng)了使氫氣流束不斷偏移，進(jìn)一步擴(kuò)大了氫氣和空氣的接觸面積，促進(jìn)了氫氣和空氣的混合。

從變化趨勢(shì)可以看出，噴氫孔開啟之后，氫氣形成一股激射流，占據(jù)進(jìn)氣道內(nèi)部分空氣的體積，氫氣濃度迅速增加，對(duì)空氣形成一定的阻滯。氫氣噴射一段時(shí)間后，激射流達(dá)到穿透極限并向外擴(kuò)散，從噴孔位置向進(jìn)氣道延伸形成錐形噴射流。氫氣團(tuán)的體積隨著氫氣擴(kuò)散而逐步擴(kuò)大，濃度也逐漸降低，混合氣逐漸均勻。

圖2是仿真得到的氫氣的進(jìn)氣及其和空氣的混合過(guò)程中氫氣濃度分布的變化規(guī)律。

由圖2可知，噴射結(jié)束后進(jìn)氣道內(nèi)氫氣和高濃度混合氣沿著進(jìn)氣門外壁進(jìn)入氣缸，受到氣缸壁的阻礙作用后，氫空氣濃混合氣會(huì)沿著氣缸壁向氣缸下部（即活塞頂部）運(yùn)動(dòng)，形成了大范圍的搬運(yùn)和移動(dòng)過(guò)程。同時(shí)混合氣迅速沿著氣缸半徑方向向氣缸中心流動(dòng)擴(kuò)散（如圖3b），此時(shí)混合氣向下和向氣缸內(nèi)部擴(kuò)散的趨勢(shì)都非常明顯。

由于活塞的持續(xù)下行，氣缸內(nèi)較濃的氫氣團(tuán)也沿著氣缸壁向下流動(dòng)；氣團(tuán)在達(dá)到活塞頂部以后，在活塞頂?shù)囊龑?dǎo)下向氣缸中心流動(dòng)（如圖3b、3c），這種流動(dòng)造成了氫氣大范圍的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。在大范圍質(zhì)量轉(zhuǎn)移的同時(shí)，沿著氣缸壁或活塞頂部流動(dòng)的氫氣團(tuán)始終向氣團(tuán)周圍的空氣中擴(kuò)散。

在進(jìn)氣形成結(jié)束后，活塞的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，此時(shí)高濃度的混合氣基本上分布在氣缸的下部；隨著活塞的上行，高濃度的混合氣逐步被壓縮和向低濃度區(qū)擴(kuò)散，在活塞上行過(guò)程中，部分濃度較低的混合氣回流到進(jìn)氣道中，形成了非常均勻的混合氣（如圖3e、3f）。從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，流動(dòng)對(duì)混合氣的形成起了非常重要的作用。

圖3 氫氣在不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的空間分布

3 混合氣濃度對(duì)氫氣燃燒過(guò)程影響

圖4為在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的初始溫度為300°C，初始填充壓力為1.2MPa時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)分別為1.0、1.2、1.4、1.6和1.8的情況下，不同混合氣濃度條件對(duì)氫氣燃燒過(guò)程的影響，燃燒特性參數(shù)包括缸內(nèi)壓力、壓力升高率、燃燒溫度、溫度升高率、放熱量和放熱率等。

從圖4可以看出，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力和最高壓力升高率均不斷下降。隨著缸內(nèi)燃燒壓力的下降，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降，輸出功率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性會(huì)變差，但是壓力升高率變化曲線變得平緩，因而發(fā)動(dòng)機(jī)工作比較平穩(wěn)。在過(guò)量空氣系數(shù)λ=1.0時(shí)，從火花塞點(diǎn)火后迅速燃燒，曲軸轉(zhuǎn)角為-3℃A時(shí)達(dá)到壓力升高率的峰值5.41MPa/ms，在 曲 軸 轉(zhuǎn) 角為-2℃A時(shí)達(dá)到最高燃燒壓力7.5MPa。與λ=l.0的燃燒壓力曲線相比，在λ=1.8時(shí)燃燒初始階段壓力上升也是在點(diǎn)火之后，壓力缸內(nèi)壓力迅速上升，但上升速度比λ=1.0時(shí)慢，而且峰值也較低，在曲軸轉(zhuǎn)角為-2.89℃A時(shí)達(dá)到壓力升高率的峰值4.21MP/ms，在曲軸轉(zhuǎn)角為-1.89時(shí)達(dá)到最大燃燒壓力6.41MPa。從燃燒壓力曲線和壓力升高率的變化曲線還可以看出，隨著混合氣濃度的下降，燃燒始點(diǎn)推遲，燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)。壓力升高速度的差異也與燃燒始點(diǎn)、燃燒持續(xù)期有關(guān)，燃燒始點(diǎn)從-3℃A增加到-2.89℃A，燃燒速率變慢，因此壓力曲線增長(zhǎng)速率放緩。此外，混合氣濃度降低，缸內(nèi)空氣量增加，燃燒時(shí)吸熱量也增加，燃燒后總放熱量減小，進(jìn)而使缸內(nèi)燃燒壓力峰值降低，這也是燃燒最高壓力下降的重要原因。

缸內(nèi)溫度的變化、累積放熱量的變化與缸內(nèi)壓力變化曲線相似，溫度升高率的變化、放熱率的變化與缸內(nèi)壓力升高率的變化曲線相似。在過(guò)量空氣系數(shù)為1.0時(shí)，燃燒溫度上升最快，最高燃燒溫度為3 061K，最高溫度升高率為2 309K/ms，放熱量最多，放熱量峰值為1.3kJ，在曲軸轉(zhuǎn)角為-1.99℃A時(shí)達(dá)到放熱率峰值1.2kJ/ms。隨著混合氣濃度的降低，混合氣的燃燒過(guò)程推遲，缸內(nèi)氫氣的密度減少，空氣量增加，從而導(dǎo)致缸內(nèi)溫度上升需要的熱量增加，燃燒室缸內(nèi)溫度升高率減小，最高燃燒溫度之間的差異減小。

從圖4中可以看出，缸內(nèi)燃燒溫度上升變化緩慢，最高溫度隨混合氣濃度的降低而降低，累積放熱量減少，放熱持續(xù)時(shí)間增加，達(dá)到峰值的時(shí)間被推遲，溫度升高率和放熱率曲線走勢(shì)越來(lái)越平緩。在λ=1.8時(shí)，燃燒溫度上升速率緩慢，燃燒速度最慢，在曲軸轉(zhuǎn)角為-1.99℃A時(shí)出現(xiàn)最高燃燒溫度2 775K，最大溫度升高率是1 757K/ms，累積放熱量最少，經(jīng)過(guò)1℃A的放熱率峰值970J/ms。隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大，一直持續(xù)到做功行程的結(jié)束，放熱量一直持續(xù)增加。在λ＞1.8時(shí)，缸內(nèi)空氣量過(guò)多，燃燒反應(yīng)進(jìn)一步惡化，火花塞點(diǎn)火后，若形不成穩(wěn)定的火焰中心將會(huì)失火。

4 結(jié)論與分析

應(yīng)用CONVERGE軟件對(duì)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氫氣的燃燒過(guò)程進(jìn)行了詳盡的仿真模擬。參照實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮終了時(shí)刻的邊界條件，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度，分析了混合氣過(guò)量空氣系數(shù)（1.0～1.8）、初始?jí)毫υO(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)氣壓，溫度300K，氣缸內(nèi)的初始溫度為750K時(shí)，對(duì)氫氣燃燒過(guò)程的影響，得到缸內(nèi)燃燒壓力、壓力升高率、溫度、溫度升高率、放熱量和放熱率等燃燒特性參數(shù)的變化曲線。隨著混合氣濃度的增大，燃燒壓力、壓力升高率、溫度、溫度升高率、放熱量以及放熱率峰值均增大，且達(dá)到峰值的時(shí)間提前，化學(xué)反應(yīng)速率加快，燃燒始點(diǎn)提前，燃燒持續(xù)期縮短。但是，隨著初始混合氣溫度的提高，由于散熱較明顯，燃燒壓力和放熱量峰值減小，但曲線有前移的現(xiàn)象，燃燒速度增加，最大壓力升高率、最高溫度升高率和最高放熱率均有所增加，燃燒始點(diǎn)提前，燃燒持續(xù)期也縮短。

［1］N.Saravanan，G.Nagarajan.An Experimental Investigation on a Diesel Engine with Hydrogen Fuel Injection in Intake Manifold［C］.SAE Paper，2008.

［2］P.Huyskens，S.Van Oost，P.J.Goemaere，etal.The technical implementation of a retrofit hydrogen PFI system on a passenger car［C］.SAE Paper，2011.

［3］段俊法，劉福水，孫柏剛.PFI氫內(nèi)燃機(jī)的氫-空氣混合特性［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014，212（3）：29-32.

［4］楚朝陽(yáng)，杜明俠，任天樂(lè).車用柴油機(jī)三種代用燃料的性能分析［J］.華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（1）：77-80.

［5］Sebastian Verhelst，Roger Sierens.Combustion Studies for PFI Hydrogen IC Engines［C］.SAE Paper，2007.

［6］趙玉壘.稀混合氣濃度對(duì)正丁醇燃燒過(guò)程的影響［D］.山東：青島大學(xué)，2011.

［7］楊振中.氫燃料內(nèi)燃機(jī)燃燒與優(yōu)化控制方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.