进气道对氢内燃机进气过程的影响

进气道对氢内燃机进气过程的影响

0氢燃油材料进气道的优化设计氢汽机具有低排放、高燃烧效率的优点。然而，由于氢气田具有能耗低、火焰快等特点，氢气田仍然面临易火、早燃烧和功率低的问题。内燃机的性能在很大程度上依赖于换气过程的完善程度,进气道的结构对充量系数和流动阻力损失等均有很重要的影响,特别是改用氢气后,由于氢燃料比普通的液态燃料占有更大的体积分数,导致进入气缸的空气量减小,充量系数下降。对于由一般的汽油机改装而成的氢内燃机,其进气道结构需要进行优化设计,才可以在一定的转速和负荷条件下实现流入气缸内的总能量最大,同时避免早燃和回火。此外,氢内燃机的进气系统要求具有结构紧凑、简单、流动阻力小等特点,而切向进气道基本具有这些优点,较适合在氢内燃机上使用,而针对其在氢内燃机上应用的研究未见详细报道。本文中采用数值模拟的方法重点研究了切向进气道和一般弯管进气道氢内燃机缸内混合气的形成过程及二者的差异,分析了氢内燃机这两种不同的进气道对缸内混合气形成的影响,为解决氢内燃机的早燃和回火问题及进气系统的优化设计提供技术支撑。1数学模型的构建1.1几何模型的建立研究采用了二气门氢内燃机,其缸径为85mm,行程为85mm,压缩比7.9mm。根据其几何结构参数建立了三维几何模型,主要包括进排气道、进排气门、气门座和燃烧室。为了模拟计算的准确性,采用三维全尺寸结构,建立的氢内燃机三维模型如图1所示。1.2湍流模型方程内燃机工作过程模拟的基本方程组主要为质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程、气体混合物的状态方程和湍流模型方程。在湍流模型中,本文中采用的湍流模型为RNGk-ε模型。1.3计算方法偏微分方程的离散化采用有限体积法(finitevolumemethod),以便于模拟具有复杂边界区域的流体运动。由于内燃机内部是非定常、高瞬变的流动,采用PISO算法处理常微分方程数值解法中速度与压力的耦合。1.4空气入气道为了提高数值模拟的准确性,使模拟更加符合实际工况,本研究考虑了气缸壁面温度等边界条件对工质的影响,各边界的温度均取经验值。转速1100r/min,空气进气温度305K,进口压力0.1MPa,氢气喷入温度300K,进气道壁温390K,排气道温度455K,气缸壁温440K,燃烧室壁温576K,气缸表面温度576K。初始压力缸内0.15MPa,初始温度810K。氢气从进气道入口和氢气均匀混合后进入气缸,过量空气系数为1.05。气缸内初始温度为0.15MPa,初始温度为810K。1.5门座周边网格加密为了减小网格对计算结果的影响,对进排气口、气门和气门座附近处的网格进行局部加密,同时考虑计算机的计算能力,将网格数控制在50万以内。以六面体网格为主进行网格划分,得到的进气门开启时刻的体网格如图2所示。2结果与分析2.1高压旋流式烟气回收形成机理图3为进排气道及气缸内对称切面上的速度矢量。由图3可见,由于叠开期缸内的压力较大,缸内高温残余废气向进气道内回流,随着进气门的开启,缸内压力迅速减小,回流速度下降,进气道的进气速度增加,在366°CA时两股相反方向的气流在进气门上方附近形成旋涡,在371°CA前旋涡强度逐渐增强,随后进气流不断增强,旋涡强度逐渐减弱,至391°CA时旋涡消失,而后缸内的气体回流完全消失,进气道内为纯进气。由此可见,在气门叠开过程中,缸内高温废气回流,若进气道内存在高浓度的氢空气混合气,易发生回火。由图3(d)~3(h)可见,气流流入气缸的过程中,受到壁面的限制分别在缸内的左右两侧形成方向相反的两个滚流旋涡(左侧为逆时针,右侧为顺时针),且涡流强度相当。这两股气流在压缩过程中互相碰撞、叠加逐渐合并为一个湍流强度较大的滚流,并持续到点火时刻,如图3(l)所示缸内仍然存在较强的滚流。图4为压缩过程中对称面上的湍动能分布情况。由图4可见,在压缩过程中,由于存在较强的滚流,缸内中心区域的湍流强度较大,而且一直持续到点火时刻,有利于缸内的形成浓度均匀的混合气体。2.2气体回流和点火图5为不同曲轴转角下弯管气道氢内燃机进气道和缸内的温度分布。由图5可见,对于非增压的氢内燃机,在气门叠开过程中,由于缸内的压力和温度较高,在进气门开启后,高温气体向进气道内回流,使进气道内的温度升高;特别是在高速高负荷时,缸内的残余废气的温度较高,回流后易点燃进气道内的氢燃料混合气而发生回火。随着活塞下行,缸内的温度下降,但排气门附近的流动速度较小,湍流度很低,得不到新鲜充量的冷却,所以温度下降很慢。排气门附近存在局部高温区,尤其是离进气门最远的排气门边缘的狭隙中流速很小,温度一直很高,该区域很容易引起早燃。2.3两气的扩散、扩散,导致早燃倾向图6为部分曲轴转角下的进气道氢气含量分布。由图6可见,在进气门打开后,由于缸内的废气回流阻碍了氢燃料混合气进入气缸,进气道内的燃料浓度从391°CA才开始大量增加。当氢气扩散到排气门附近区域时,由于当地的流速很小,混合不充分,且排气门高温区的氢气浓度很高,会大幅增加早燃倾向。在压缩过程中,缸内的湍流度较强,使缸内的氢气的浓度分布较均匀。2.4切向气流的湍流特征分析图7和图8分别为切向气道不同曲轴转角时进气道及气缸内的速度分布。与图3对比可见,在气门叠开过程中,二者气体流动规律类似,缸内的较高压力残余废气均向进气道内回流,但切向气道的回流更早,在360°CA时进气道内进气阀上方附近已形成了回流旋涡。叠开之后的进气过程,切向气道使进入气缸的气流沿着气缸壁和活塞形成斜轴涡流,并持续到点火开始时刻。进气过程中由于受到燃烧室结构的影响,在进气门开启较大时,从切向气道流入气缸内的气体被分流,如图7(e)、7(f)所示,而理想的切向气道所形成的气流应该以向前的气流为主,即图7(e)、7(f)所示的进气门右侧气流的流动速度要远远大于左侧,而左侧气流的速度仍然很大,虽在490°CA以后两股气流合并成一个大的旋涡,但在涡流的合并过程中存在较大的能量损失,使湍流的强度减弱。图9为切向进气道的三维湍动能。对比图7(l)和图9中的湍动能分布情况可见,在点火前时刻缸内的涡流强度仍然较大,由于受到斜轴涡流的影响,气缸中部特别是两气门中央火花塞位置的湍流强度较大;与弯管气道相比,切向气道所形成斜轴涡流的湍动能衰减稍大。此外,由于切向气道所形成的斜轴涡流在燃烧室壁面高温区和火花塞处的流动速度较大,可以增加这些高温区域的表面对流传热系数,强化火花塞内和壁面狭隙的扫气和冷却效果,降低发生早燃的可能性。2.5切向气流的体积图10为切向进气道的温度分布。由图10可见,切向气道在气门叠开期间高温气体回流的管长较长,原因是与弯管相比,切向气道的体积较小,当回流量相当时,其回流的长度较大。在无回流的纯进气过程中,排气门附近的高温区较弯管气道小,原因是切向气道所形成的气流在排气门附近的流速较大,对排气门附近的高温区起到较好的冷却作用,有利于避免局部高温引起的早燃。2.6气体浓度和氢气空间浓度图11为切向进气道的氢气质量浓度分布。由图11可见,两种进气道最终所形成的气体的浓度和氢气的空间浓度分布基本相同。由此可见,切向气道所形成的斜轴涡流虽然强度没有弯管所形成的滚流的湍流强度大,但二者对最终所形成混合气的浓度影响很小。2.7进气道对细胞总质量的影响图12为不同进气道的混合气总质量随曲轴转角的变化曲线。由图12可见,在相同的模拟工况下,两种不同形式的进气道对缸内混合气的总质量的影响相同,在540°CA时达到峰值,之后有所降低。这主要是因为在模拟的工况下,进气迟闭期活塞上行时,混合气有少量回流。3高温环境下局部高温(1)在叠开期弯管进气道和切向进气道的氢内燃机均发生高温气体向进气道内的回流,弯管进气道在366°CA时缸内回流气体和进气道来流这两股方向相反的气流在进气门上方附近形成旋涡,在371°CA前旋涡强度和回流逐渐增强,随后均减弱,至391°CA时缸内的气体回流完全消失。回流使进气道内的温度升高,易点燃进气道内的氢燃料混合气而发生回火。排气门附近高温区的湍流度低,冷却不充分,局部温度很高,特别是离进气门最远的排气门边缘的狭隙中流速小、温度高,当高浓度氢空气混合燃料扩散到排气门附近高温区域时,停留时间长,很容易发生早燃。(2)弯管进气道气流受到壁面的限制分别在缸内的左右两侧形成方向相反、涡流强度相当的两个滚流旋涡。这两股气流在压缩过程中互相叠加逐渐合并为一个湍流强度较大的滚流,并持续到点火时刻。切向气道的气流沿着气缸壁和活塞形成斜轴涡流,并持续到点火开始时刻,气缸中部特别是两气门中央火花塞位置的湍流强度较大;在进气门开启较大时,从切向气道流入气缸内的气体被分流,在490°CA以后两股气流合并成一个大的旋涡,湍动能衰减稍大。(3)切向气道在气门叠开期间较早发生回流,在360°CA时进气道内进气阀上方附近已形成了回流旋涡,而且高温气体回流的管长较长。切向气道所形成的斜轴涡流在燃烧室排气门附近壁面高温区和火花塞处的流动速度较大,增加这些高温区域的表面对流传热系数,强化火花