PFI氫內燃機的氫-空氣混合特性

段俊法， 劉福水， 孫柏剛

(1. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081； 2. 華北水利水電大學機械學院， 河南 鄭州 450045)

PFI氫內燃機的氫-空氣混合特性

段俊法1,2， 劉福水1， 孫柏剛1

(1. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081； 2. 華北水利水電大學機械學院， 河南 鄭州 450045)

以1臺4缸進氣道燃料噴射內燃機為基礎，建立了包含進氣管道和氣缸的氫內燃機進氣系統三維仿真模型。提出用混合氣不均勻性系數來評價氫-空氣混合狀況，仿真研究了氫內燃機邊界條件下的進氣氣流運動規律和混合過程，發現氫-空氣混合狀況主要取決于氣流的搬運作用和擴散面積。探討了氫氣噴射相位和噴射壓力對氫-空氣混合速度和混合均勻性的影響，并以不均勻性系數為指標優化了PFI氫內燃機不同轉速和當量比下的噴射相位與噴射壓力。

氫內燃機； 進氣道燃料噴射； 混合氣形成； 均勻性； 噴射相位

隨著石油資源日益緊缺和環境污染日益加劇，研究者更加關注內燃機替代燃料。氫氣可以從水分解獲得,燃燒的產物也只有水,因而可以作為循環利用的清潔能源。氫氣易于點燃，燃燒速度快，可以直接應用于傳統內燃機而不需要對內燃機作較大的改動，因而是較為理想的內燃機代用燃料[1-2]。氫氣作為燃料應用于內燃機可以采用進氣管單點噴射、進氣道燃料噴射及缸內直噴等幾種方式。進氣道燃料噴射(PFI)相對于缸內直噴,技術難度較低，可精確控制氫氣噴射相位，獲得良好的燃燒和排放特性，是目前最常用的氫內燃機燃料供給方式[3-5]。

燃料的混合狀況影響氫內燃機的燃燒特性。火花塞處的氫-空氣混合氣濃度越高，越容易被點燃，燃燒速度越快[6-7]；氫氣和空氣的混合越充分，燃燒室內的混合氣濃度越均勻，混合氣局部過濃的可能性越小，氫內燃機的NOx排放越低。

本研究基于一款PFI氫內燃機，建立了包含進氣管道和氣缸的三維CFD仿真模型，仿真分析了氫氣射流運動規律，研究了氫-空氣混合特性和氫氣噴射相位對火花塞局部濃度和燃燒室混合氣均勻性的影響，并以混合氣均勻性為目標優化了PFI氫內燃機的氫氣噴射相位。

1 方法和模型

氫氣和空氣都是無色的，很難采用試驗手段觀測到氫氣和空氣的混合過程。因而采用仿真方法分析氫氣噴射、擴散、流動和混合的全過程，得到不同氫-空氣混合氣的時空分布特性。

1.1 仿真模型的建立

以1臺4缸PFI氫內燃機為研究對象建立三維CFD仿真模型。內燃機主要參數見表1。

表1 內燃機參數

PFI氫內燃機的氫氣以一定壓力噴射進入進氣道，被進氣氣流運送到氣缸內，為了分析氫-空氣混合的全過程，需要建立整個氣流運動路徑，含進氣管、進氣歧管、氣門和氣缸的仿真模型，為了獲得滿意的仿真效果，網格的尺寸很小，因而網格數很大。

為了縮短計算時間，建立仿真模型時忽略氫內燃機各缸進氣不一致，將進氣管簡化成壓力穩定的集氣腔，建立從集氣腔到氣缸的單缸幾何模型。考慮氣缸和進氣歧管的對稱性，取實體幾何模型的一半建立了仿真模型(見圖1)。經簡化后仿真模型的網格數仍達17萬個。

仿真模型的邊界條件和初始條件主要通過氫內燃機試驗獲得，包括進氣溫度、壓力、流量等。氫氣噴射壓力設定為0.3～0.6 MPa，傳熱系數、摩擦因數等參數和邊界條件根據經驗公式得到。

1.2 模型校核與驗證

建立三維仿真模型后，校核了最大和最小網格尺寸及計算步長。隨著計算步長的減小，計算結果波動逐步減小，當計算結果的波動小于2%時，認為計算結果可以接受。

為了驗證模型，采用仿真模型計算了不同工況的內燃機進氣量，進行了試驗驗證。由表2可見，仿真結果和試驗數據[8]吻合，最大誤差不超過5%。

表2 仿真和試驗的內燃機進氣量

2 結果分析

2.1 氫氣在進氣道內的噴射和流動

圖2示出了氫氣在進氣道內噴射和流動的過程。在噴射初期，氫氣在一定壓力下噴入氣道時，形成具有一定貫穿距離和錐角的射流，射流碰到進氣管壁后沿著管壁散開，在流束的中部，當量燃空比很高，幾乎沒有空氣存在，而在流束的邊緣，氫氣向空氣中擴散，混合氣濃度逐漸降低。

隨著噴射的持續，氫氣沿著流束表面逐步向空氣中擴散，燃空比沿著射流表面的法向逐步降低，擴散的范圍逐步增大。在噴射后期進氣門打開，流動的空氣將較高濃度的混合氣向氣缸內輸送，高濃度混合氣和更多的空氣接觸并向其中擴散，形成濃度較低的混合氣。

氫氣噴流和汽油射流不同，汽油射流在流束的外側形成很多微小的液滴，這些液滴和流束通過表面蒸發向空氣中擴散。而氫氣射流沒有出現打散的顆粒，因而射流的貫穿和空氣的輸送作用是增大擴散面積、實現良好混合的基礎。

2.2 氫-空氣的缸內流動和混合

在氣門開啟后，氫氣和空氣的混合氣進入氣缸(見圖3)。在進氣初期，氣流受到氣門和燃燒室壁面的導向作用而形成了兩個旋轉方向相反的渦團，氣門下方旋向為正的渦團在前期占據主導，滾流比為正。隨著氣門升程的增長，由氣門上方進入的氣流形成的渦團能量越來越大，滾流比逐漸變為負值，并在進氣下止點形成了穩定的滾流。

由圖4可見，進氣門關閉后，由于滾流的影響，原進氣門下方較濃的混合氣沿著滾流的旋轉方向向排氣門側運動，而排氣門側缸壁附近較稀薄的混合氣則運動到了進氣門側。滾流越強，氫氣的流動范圍越大，越容易擴散與空氣混合。

在壓縮沖程的末期，滾流逐步耗散，形成眾多微小的湍流，此時氫氣和空氣的氣團較小，接觸面積進一步增大，從而促進兩者的混合。

2.3 噴射時刻對混合的影響

2.3.1 混合狀況的評價方法

氫氣與空氣的混合越充分，分子的分布越均勻，在一定溫度下的反應時間越短，越有利于燃燒的組織。因此可以用混合氣的均勻性評價混合狀況。

將氣缸分成眾多的有限體積網格，認為各網格內氫氣與空氣的濃度相同，而網格之間的濃度不同，定義缸內混合氣不均勻性系數nindex為

(1)

(2)

式中：φi為單元i的當量燃空比；Vi為單元i的體積；V表示整個氣缸的體積；φavg表示缸內平均當量燃空比。

由式(1)可知，不均勻性系數nindex越小，各網格的燃空比越接近，氫氣與空氣的混合越充分。

2.3.2 噴氫相位對混合狀況的影響

噴氫相位影響混合氣當量燃空比的空間分布。圖5示出了轉速3 000 r/min，當量燃空比為1，噴射壓力為0.3 MPa時不同噴氫相位的缸內混合氣分布云圖。

由圖5可知，噴氫相位不同，混合氣的混合狀況有較大差異。噴氫結束角為388°和611°時，所有體積微元的當量燃空比在0.6～1.4之間；而558°時體積微元的當量燃空比在0.76～1.24之間，且大部分體積微元的當量燃空比在0.92～1.16之間；噴氫結束角為458°時混合氣濃度分布也比較均勻，混合較為充分。

以不均勻性系數表征各種噴氫相位時的混合狀況更為準確。圖6示出了轉速 3 000 r/min，當量燃空比為1，噴射壓力為0.3 MPa時不均勻性系數和噴氫相位的關系。由圖可知，噴氫結束角為558°時不均勻性系數為0.04，僅相當于噴氫結束角388°時的36.2%,說明其混合更為充分。

混合氣均勻性隨噴氫結束角先減小后增大，原因是噴氫結束過早或過晚時的進氣流速較低，氫氣團被搬運的能量小，氫氣與空氣的接觸面積小，擴散速度降低，因而混合不夠充分，不均勻性系數增大。

通過仿真可得不同工況下混合最為充分的噴射相位(見圖7)。隨著轉速的提高和當量燃空比的增大，使混合氣最均勻的噴射角增大，這主要是由氫氣量的增加和擴散時間的縮短所造成的。

2.3.3 不同工況的最優噴射壓力

隨著內燃機轉速和負荷的提高，氫氣供給需求增加，需要增加噴氫持續期或提高噴射壓力。圖8示出了仿真得到的不同工況下使混合最為均勻的噴射壓力。

在轉速為1 000 r/min時，當量燃空比增加最優噴射壓力保持不變。此時保持最優噴氫結束角增大，則噴氫開始角隨當量燃空比增加而提前。這是由于在低轉速下，以曲軸轉角計量的噴射持續期較短，噴射壓力升高會使其進一步縮短，造成短時間內高濃度的混合氣，不利于形成均勻混合氣，故應使用較低的噴射壓力。

由于噴射壓力不變，為獲得較大的當量燃空比，噴氫持續期增大，因而最優的噴射結束角相應滯后以提高殘留在進氣道內混合氣的當量燃空比，噴射開始角也由于噴射持續期的增加而提前。

在轉速升高為3 000 r/min 時，隨當量燃空比的增加，最佳噴射壓力逐漸升高。這是由于噴射壓力低而轉速較高時，以曲軸轉角計的噴射持續期太長而無法避免在氣道內形成高濃度的混合氣，因此必須提高噴射壓力。當轉速提高后，進氣回流角滯后，因此噴射結束角也隨轉速升高而滯后。

轉速進一步升高到5 000 r/min，如果進一步提前噴射，會造成進氣道內混合氣濃度過高而使得進氣的當量燃空比不均勻度增大。只能考慮進一步增大噴氫壓力，此時因噴氫壓力的增大，噴氫閥前后的壓差超過臨界壓差，流動不穩定，因而混合不夠充分。

3 結論

a) 氫氣與空氣的混合和汽油不同，不存在射流的破碎，主要通過空氣的流動搬運氫氣，并通過湍流

實現更大的接觸面，增大氫氣的擴散速度，獲得更好的混合性能；

b) 在各種工況下，都存在使混合氣不均勻性系數最小的噴氫相位和壓力，隨著轉速和燃空比的增大，使混合更為充分的噴氫開始角不斷提前，噴射壓力不斷增大。

[1] Delorme A,Rousseau A,Sharer P,et al.Evolution of hydrogen fueled vehicles compared to conventional vehicles from 2010 to 2045[C].SAE Paper 2009-01-1008.

[2] 楊振中.氫燃料內燃機燃燒與優化控制[D].杭州:浙江大學,2001.

[3] Gerrit Kiesgen,Manfred Klüting,Christian Bock.The New 12-Cylinder Hydrogen Engine in the 7 Series:The H2 ICE Age Has Begun[C].SAE Paper 2006-01-0431.

[4] William F Stockhausen, Robert J Natkin,Daniel M Kabat,et al.Ford Hydrogen Engine Powered P2000 Vehicle[C] .SAE Paper 2002-01-0243.

[5] Swain M R,Schade G J,Swain M N.Design and Testing of a Dedicated Hydrogen Fueled Engine[C].SAE Paper 961077,1996.

[6] 李向榮，魏 嶸，孫柏剛，等.燃燒科學與技術[M].北京：北京理工大學出版社，2011.

[7] Nakamura Y,Yamamoto K,Nakajima N,et al.Effects of Hydrogen Enhancement on Efficiency and NOxEmissions of Lean and EGR-Diluted Mixtures in a SI Engine [C] .SAE Paper 2007-24-0122.

[8] 段俊法,劉福水,孫柏剛.PFI氫內燃機回火機理和控制[J].農業機械學報,2013,44(3):1-5,37.

[編輯： 姜曉博]

Hydrogen-air Mixture Characteristics of PFI Hydrogen Internal Combustion Engine

DUAN Jun-fa1,2, LIU Fu-shui1, SUN Bai-gang1

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Power, Zhengzhou 450045, China)

A 3D simulation model of air intake system including intake pipe and cylinder was built based on a 4-cylinder and intake port fuel injection hydrogen internal combustion engine. The non-uniformity coefficient was put forward to evaluate the mixing condition of hydrogen-air mixture. The intake air flow movement and mixing process of hydrogen internal combustion engine in the boundary conditions was simulated and researched with the model. It was found that the key factors for mixing condition were airflow carrying function and diffusion area. In addition, the influence of hydrogen injection pressure and timing on hydrogen-air mixing velocity and uniformity was investigated and the injection timing and pressure of different engine speed and equivalent ratio were optimized according to the non-uniformity coefficients.

hydrogen internal combustion engine； intake port fuel injection； mixture formation； uniformity； injection timing

2014-01-20；

2014-03-15

國家自然科學基金資助項目(51276019)；河南省教育廳科學技術研究重點支持項目(14B470016)

段俊法(1972—)，男，副教授，博士，主要研究方向為內燃機燃燒、排放和環境效應；duanjunfa@126.com。

孫柏剛(1969—)，男，副教授，博士生導師，主要研究方向為內燃機燃燒、排放和環境效應；sunbg@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.03.007

TK431

B

1001-2222(2014)03-0029-04