氫內(nèi)燃機(jī)混合氣形成cfd仿真研究-理工等

氫內(nèi)燃機(jī)混合氣形成的 仿真研孫，，，：利用FIRE建立了氫內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣道－氣門－氣缸區(qū)域的進(jìn)氣與壓縮過程ACFDSimulationStudyonMixtureFormationofHydrogenInternalCombustionEngineDa-weiSUN,Bai-gangSUN,LeiZHOU,Fu-shui(BeijingInstituteofTechnology,SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,Beijing,:Amovingmeshincludingport-valve-cylinderareawasbuildtopresenttheintakeandcompressionprocessofhydrogeninternalcombustionengine.Boundarycondition,initialconditionandothersolverparameterswascarefullyset.Averificationworkwasdoneabouttheaboveparameters.Theeffectofhydrogeninjectiontimingandflowrateonthemixtureformationandhydrogenresiduearoundintakevalveatthehighloadoperationwhichbackfireeasilyoccurwasstudied.Tocontrolbackfire,theoptimuminjectorlocationandanglebetweenhydrogeninjectionandairflowwasdiscussed.前連接結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣系統(tǒng)中，Y45°連接結(jié)構(gòu)有著較高的指示功率輸出有著重要的影響。因此本文通過CFD模擬段，對(duì)一款由機(jī)改裝的氫內(nèi)燃察網(wǎng)格尺寸對(duì)氣體最大速度和平均湍動(dòng)能的影響得出的最佳網(wǎng)格尺寸為0.25mm。Courant[8]。Courant數(shù)指時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)的相對(duì)關(guān)系，最大的收斂準(zhǔn)則為1e-4。點(diǎn)，故選取該模型對(duì)氫氣噴射CFD仿真模型進(jìn)行計(jì)算。表1氫內(nèi)燃機(jī)項(xiàng)參項(xiàng)參缸徑×沖程進(jìn)氣門直徑壓縮排氣門直徑連桿長(zhǎng)度(形直列4進(jìn)氣門開啟角排氣門開啟角152進(jìn)氣門關(guān)閉角608排氣門關(guān)閉角390程6氣/9 燃燒180排氣360進(jìn)氣540壓縮0曲軸轉(zhuǎn)角9程6氣00燃180排氣360進(jìn)氣540壓縮曲軸轉(zhuǎn)角圖1計(jì)算網(wǎng)格的示意 圖2進(jìn)氣門開啟和關(guān)閉的實(shí)際計(jì)算時(shí)（0.8mm圖2所示。k3(aV 2l 2kkRT[1(2)k2kkRT[1(2)kp1p1V 3～5個(gè)工作循環(huán)流場(chǎng)的真的結(jié)果設(shè)定初始條件如表2所示：表2初始條件初始進(jìn)氣氣缸壓力溫度湍動(dòng)能1湍流長(zhǎng)度尺度速00N2、O2和H2，物性參數(shù)由的數(shù)據(jù)庫提供。流場(chǎng)求解采用SIMPLE算法，必須求解動(dòng)最大迭代步數(shù)50次，最小迭代步數(shù)為3次。氣燃空當(dāng)量比0.7的工況進(jìn)行分析。圖35000r/min，燃空當(dāng)量比0.7內(nèi)的[10]4是在對(duì)不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下進(jìn)行計(jì)算后得到的最佳的噴氫關(guān)閉角，圖中可以//氣

噴

噴氫關(guān)閉角

氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速圖3不同噴氫關(guān)閉角時(shí)的氫氣體積分 圖4不同轉(zhuǎn)速和濃度下的最佳噴氫關(guān)閉%%//55

缸0 噴氫流量

噴氫流量圖5不同噴氫流量下的殘留混合氣體積分 圖6不同噴氫流量下的缸內(nèi)空氣充55000r/min0.7500℃A不變，噴氫流量不缸內(nèi)空氣充量下降，從而導(dǎo)致NOx排放的增加；此外提高噴氫壓力得到較高流改變噴氫閥離進(jìn)氣門的距離分別為10mm，110mm，135mm 取內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速5000r/min，混合氣當(dāng)量燃空比0.7的工況，分別計(jì)算三種方案的最佳噴氫噴氫關(guān)閉角為540℃A，520℃A，500℃A。由圖7可知隨著噴氫閥離進(jìn)氣門距離的增大，進(jìn)氣的情況下，噴氫閥距離進(jìn)氣門135mm的方案是比較合適的。 /%/%混合混

噴氫閥離進(jìn)氣門距離

噴氫閥離進(jìn)氣門距離圖7噴氫閥位置對(duì)殘留混合氣體積分?jǐn)?shù)的影 圖8噴氫閥位置對(duì)平均湍動(dòng)能的影通過改變噴氫閥與進(jìn)氣管的夾角得到了5中不同的方案，角度分別為0°（噴氫閥與進(jìn)，45°，90°，135°，180°為大。在高流量下夾角超90°后氫氣的殘留明顯增加。10反映了缸內(nèi)空氣充量隨噴氫閥均90°時(shí)取得最大值。%%//混

噴氫閥與進(jìn)氣管夾角

噴氫閥與進(jìn)氣管夾角9噴氫閥與進(jìn)氣夾角對(duì)殘留混合氣體積

圖10噴氫閥與進(jìn)氣夾角對(duì)缸內(nèi)空氣充量的結(jié)本文針對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)回火頻繁的問題，應(yīng)CFD仿真方法研究了混合氣形成的過程，從通過對(duì)不同網(wǎng)格尺寸、時(shí)間步長(zhǎng)和收斂準(zhǔn)則下氫氣噴射CFD仿真模型的計(jì)算結(jié)果比較，校核確定了噴氫流束軸向方向上最小網(wǎng)格尺寸為0.25mm，時(shí)間步長(zhǎng)為1e-5s，收斂準(zhǔn)則1e-4。少帶NOx排放的升高。從精確控制氫氣噴射量的角度出發(fā)，選擇臨界壓力噴氫閥位置選取距氣門較遠(yuǎn)即135mm時(shí)，進(jìn)氣門處殘余混合氣濃度最小，且缸內(nèi)湍動(dòng)能最低，有利于防止回火和降低NOx排放。在不同的氫氣流量下，噴氫閥與進(jìn)氣管夾角90°時(shí)缸內(nèi)的空氣充量質(zhì)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.噴射參數(shù)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)混合氣形成過程的影響.2007年博士生學(xué)術(shù).,2007:7~15.三維數(shù)值仿真研究及柴油機(jī)進(jìn)氣道優(yōu)化 理工大學(xué). F.J.Laimbiick,G.Meister,S.Grilc."CFDApplicationinCompactEngineDevelopment".SAEPr982016,