氫內(nèi)燃機混合氣形成cfd仿真研究-理工等

氫內(nèi)燃機混合氣形成的 仿真研孫，，，：利用FIRE建立了氫內(nèi)燃機的進氣道－氣門－氣缸區(qū)域的進氣與壓縮過程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，對一款由機改裝的氫內(nèi)燃察網(wǎng)格尺寸對氣體最大速度和平均湍動能的影響得出的最佳網(wǎng)格尺寸為0.25mm。Courant[8]。Courant數(shù)指時間步長和空間步長的相對關(guān)系，最大的收斂準則為1e-4。點，故選取該模型對氫氣噴射CFD仿真模型進行計算。表1氫內(nèi)燃機項參項參缸徑×沖程進氣門直徑壓縮排氣門直徑連桿長度(形直列4進氣門開啟角排氣門開啟角152進氣門關(guān)閉角608排氣門關(guān)閉角390程6氣/9 燃燒180排氣360進氣540壓縮0曲軸轉(zhuǎn)角9程6氣00燃180排氣360進氣540壓縮曲軸轉(zhuǎn)角圖1計算網(wǎng)格的示意 圖2進氣門開啟和關(guān)閉的實際計算時（0.8mm圖2所示。k3(aV 2l 2kkRT[1(2)k2kkRT[1(2)kp1p1V 3～5個工作循環(huán)流場的真的結(jié)果設(shè)定初始條件如表2所示：表2初始條件初始進氣氣缸壓力溫度湍動能1湍流長度尺度速00N2、O2和H2，物性參數(shù)由的數(shù)據(jù)庫提供。流場求解采用SIMPLE算法，必須求解動最大迭代步數(shù)50次，最小迭代步數(shù)為3次。氣燃空當量比0.7的工況進行分析。圖35000r/min，燃空當量比0.7內(nèi)的[10]4是在對不同的轉(zhuǎn)速和負荷下進行計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)燃機轉(zhuǎn)速圖3不同噴氫關(guān)閉角時的氫氣體積分 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氣門的距離分別為10mm，110mm，135mm 取內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速5000r/min，混合氣當量燃空比0.7的工況，分別計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氣門距離的增大，進氣的情況下，噴氫閥距離進氣門135mm的方案是比較合適的。 /%/%混合混

噴氫閥離進氣門距離

噴氫閥離進氣門距離圖7噴氫閥位置對殘留混合氣體積分數(shù)的影 圖8噴氫閥位置對平均湍動能的影通過改變噴氫閥與進氣管的夾角得到了5中不同的方案，角度分別為0°（噴氫閥與進，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°時取得最大值。%%//混

噴氫閥與進氣管夾角

噴氫閥與進氣管夾角9噴氫閥與進氣夾角對殘留混合氣體積

圖10噴氫閥與進氣夾角對缸內(nèi)空氣充量的結(jié)本文針對氫內(nèi)燃機回火頻繁的問題，應(yīng)CFD仿真方法研究了混合氣形成的過程，從通過對不同網(wǎng)格尺寸、時間步長和收斂準則下氫氣噴射CFD仿真模型的計算結(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，時間步長為1e-5s，收斂準則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即135mm時，進氣門處殘余混合氣濃度最小，且缸內(nèi)湍動能最低，有利于防止回火和降低NOx排放。在不同的氫氣流量下，噴氫閥與進氣管夾角90°時缸內(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)對氫內(nèi)燃機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進氣道優(yōu)化 理工大學(xué). F.J.Laimbiick,G.Meister,S.Grilc."CFDApplicationinCompactEngineDevelopment".SAEPr982016,