氢内燃机混合气形成cfd仿真研究-理工等

氢内燃机混合气形成的 仿真研孙，，，：利用FIRE建立了氢内燃机的进气道－气门－气缸区域的进气与压缩过程ACFDSimulationStudyonMixtureFormationofHydrogenInternalCombustionEngineDa-weiSUN,Bai-gangSUN,LeiZHOU,Fu-shui(BeijingInstituteofTechnology,SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,Beijing,:Amovingmeshincludingport-valve-cylinderareawasbuildtopresenttheintakeandcompressionprocessofhydrogeninternalcombustionengine.Boundarycondition,initialconditionandothersolverparameterswascarefullyset.Averificationworkwasdoneabouttheaboveparameters.Theeffectofhydrogeninjectiontimingandflowrateonthemixtureformationandhydrogenresiduearoundintakevalveatthehighloadoperationwhichbackfireeasilyoccurwasstudied.Tocontrolbackfire,theoptimuminjectorlocationandanglebetweenhydrogeninjectionandairflowwasdiscussed.前连接结构的进气系统中，Y45°连接结构有着较高的指示功率输出有着重要的影响。因此本文通过CFD模拟段，对一款由机改装的氢内燃察网格尺寸对气体最大速度和平均湍动能的影响得出的最佳网格尺寸为0.25mm。Courant[8]。Courant数指时间步长和空间步长的相对关系，最大的收敛准则为1e-4。点，故选取该模型对氢气喷射CFD仿真模型进行计算。表1氢内燃机项参项参缸径×冲程进气门直径压缩排气门直径连杆长度(形直列4进气门开启角排气门开启角152进气门关闭角608排气门关闭角390程6气/9 燃烧180排气360进气540压缩0曲轴转角9程6气00燃180排气360进气540压缩曲轴转角图1计算网格的示意 图2进气门开启和关闭的实际计算时（0.8mm图2所示。k3(aV 2l 2kkRT[1(2)k2kkRT[1(2)kp1p1V 3～5个工作循环流场的真的结果设定初始条件如表2所示：表2初始条件初始进气气缸压力温度湍动能1湍流长度尺度速00N2、O2和H2，物性参数由的数据库提供。流场求解采用SIMPLE算法，必须求解动最大迭代步数50次，最小迭代步数为3次。气燃空当量比0.7的工况进行分析。图35000r/min，燃空当量比0.7内的[10]4是在对不同的转速和负荷下进行计算后得到的最佳的喷氢关闭角，图中可以//气

喷

喷氢关闭角

氢内燃机转速图3不同喷氢关闭角时的氢气体积分 图4不同转速和浓度下的最佳喷氢关闭%%//55

缸0 喷氢流量

喷氢流量图5不同喷氢流量下的残留混合气体积分 图6不同喷氢流量下的缸内空气充55000r/min0.7500℃A不变，喷氢流量不缸内空气充量下降，从而导致NOx排放的增加；此外提高喷氢压力得到较高流改变喷氢阀离进气门的距离分别为10mm，110mm，135mm 取内燃机转速5000r/min，混合气当量燃空比0.7的工况，分别计算三种方案的最佳喷氢喷氢关闭角为540℃A，520℃A，500℃A。由图7可知随着喷氢阀离进气门距离的增大，进气的情况下，喷氢阀距离进气门135mm的方案是比较合适的。 /%/%混合混

喷氢阀离进气门距离

喷氢阀离进气门距离图7喷氢阀位置对残留混合气体积分数的影 图8喷氢阀位置对平均湍动能的影通过改变喷氢阀与进气管的夹角得到了5中不同的方案，角度分别为0°（喷氢阀与进，45°，90°，135°，180°为大。在高流量下夹角超90°后氢气的残留明显增加。10反映了缸内空气充量随喷氢阀均90°时取得最大值。%%//混

喷氢阀与进气管夹角

喷氢阀与进气管夹角9喷氢阀与进气夹角对残留混合气体积

图10喷氢阀与进气夹角对缸内空气充量的结本文针对氢内燃机回火频繁的问题，应CFD仿真方法研究了混合气形成的过程，从通过对不同网格尺寸、时间步长和收敛准则下氢气喷射CFD仿真模型的计算结果比较，校核确定了喷氢流束轴向方向上最小网格尺寸为0.25mm，时间步长为1e-5s，收敛准则1e-4。少带NOx排放的升高。从精确控制氢气喷射量的角度出发，选择临界压力喷氢阀位置选取距气门较远即135mm时，进气门处残余混合气浓度最小，且缸内湍动能最低，有利于防止回火和降低NOx排放。在不同的氢气流量下，喷氢阀与进气管夹角90°时缸内的空气充量质量最大SebastianVerhelst,RogerSierens,StefaanVerstraeten."ACriticalReviewofExperimentalResearchonHydrogenFueledSIEngines",SAEpr,2006-01-0430,2006L.M.Das."HydrogenEngine:ResearchandDevelopment(R&D)ProgrammersnInstituteofTechnology(IIT),Delhi".InternationalJournalofHydrogenEnergy,2002,27(10):953~965X.Tang,D.M.Kabat,R.J.Natkin,etal."Ford2000HydrogenEngineDynamometerDevelopment".Pr010242, M.Berckmuller,H.Rottengruber,A.Eder,etal."PotentialsofaChargedSI-hydrogenEngine".SAEPr013210,2003 R.Sierens,S.Verhelst."InfluenceoftheInjectionParametersontheEfficiencyandPowerOutputofaHydrogenFueledEngine".ASME,2003,195(3):444~449FushuiLiu."CFDStudyonHydrogenEngineMixtureFormationandCombustion".BrandenburgischenTechnischenUniversitatCottbus.2004:16~18,,等.喷射参数对氢内燃机混合气形成过程的影响.2007年博士生学术.,2007:7~15.三维数值仿真研究及柴油机进气道优化 理工大学. F.J.Laimbiick,G.Meister,S.Grilc."CFDApplicationinCompactEngineDevelopment".SAEPr982016,