進氣道對氫內(nèi)燃機進氣過程的影響

進氣道對氫內(nèi)燃機進氣過程的影響

0氫燃油材料進氣道的優(yōu)化設(shè)計氫汽機具有低排放、高燃燒效率的優(yōu)點。然而，由于氫氣田具有能耗低、火焰快等特點，氫氣田仍然面臨易火、早燃燒和功率低的問題。內(nèi)燃機的性能在很大程度上依賴于換氣過程的完善程度,進氣道的結(jié)構(gòu)對充量系數(shù)和流動阻力損失等均有很重要的影響,特別是改用氫氣后,由于氫燃料比普通的液態(tài)燃料占有更大的體積分數(shù),導致進入氣缸的空氣量減小,充量系數(shù)下降。對于由一般的汽油機改裝而成的氫內(nèi)燃機,其進氣道結(jié)構(gòu)需要進行優(yōu)化設(shè)計,才可以在一定的轉(zhuǎn)速和負荷條件下實現(xiàn)流入氣缸內(nèi)的總能量最大,同時避免早燃和回火。此外,氫內(nèi)燃機的進氣系統(tǒng)要求具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、流動阻力小等特點,而切向進氣道基本具有這些優(yōu)點,較適合在氫內(nèi)燃機上使用,而針對其在氫內(nèi)燃機上應用的研究未見詳細報道。本文中采用數(shù)值模擬的方法重點研究了切向進氣道和一般彎管進氣道氫內(nèi)燃機缸內(nèi)混合氣的形成過程及二者的差異,分析了氫內(nèi)燃機這兩種不同的進氣道對缸內(nèi)混合氣形成的影響,為解決氫內(nèi)燃機的早燃和回火問題及進氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。1數(shù)學模型的構(gòu)建1.1幾何模型的建立研究采用了二氣門氫內(nèi)燃機,其缸徑為85mm,行程為85mm,壓縮比7.9mm。根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了三維幾何模型,主要包括進排氣道、進排氣門、氣門座和燃燒室。為了模擬計算的準確性,采用三維全尺寸結(jié)構(gòu),建立的氫內(nèi)燃機三維模型如圖1所示。1.2湍流模型方程內(nèi)燃機工作過程模擬的基本方程組主要為質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程、氣體混合物的狀態(tài)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為RNGk-ε模型。1.3計算方法偏微分方程的離散化采用有限體積法(finitevolumemethod),以便于模擬具有復雜邊界區(qū)域的流體運動。由于內(nèi)燃機內(nèi)部是非定常、高瞬變的流動,采用PISO算法處理常微分方程數(shù)值解法中速度與壓力的耦合。1.4空氣入氣道為了提高數(shù)值模擬的準確性,使模擬更加符合實際工況,本研究考慮了氣缸壁面溫度等邊界條件對工質(zhì)的影響,各邊界的溫度均取經(jīng)驗值。轉(zhuǎn)速1100r/min,空氣進氣溫度305K,進口壓力0.1MPa,氫氣噴入溫度300K,進氣道壁溫390K,排氣道溫度455K,氣缸壁溫440K,燃燒室壁溫576K,氣缸表面溫度576K。初始壓力缸內(nèi)0.15MPa,初始溫度810K。氫氣從進氣道入口和氫氣均勻混合后進入氣缸,過量空氣系數(shù)為1.05。氣缸內(nèi)初始溫度為0.15MPa,初始溫度為810K。1.5門座周邊網(wǎng)格加密為了減小網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響,對進排氣口、氣門和氣門座附近處的網(wǎng)格進行局部加密,同時考慮計算機的計算能力,將網(wǎng)格數(shù)控制在50萬以內(nèi)。以六面體網(wǎng)格為主進行網(wǎng)格劃分,得到的進氣門開啟時刻的體網(wǎng)格如圖2所示。2結(jié)果與分析2.1高壓旋流式煙氣回收形成機理圖3為進排氣道及氣缸內(nèi)對稱切面上的速度矢量。由圖3可見,由于疊開期缸內(nèi)的壓力較大,缸內(nèi)高溫殘余廢氣向進氣道內(nèi)回流,隨著進氣門的開啟,缸內(nèi)壓力迅速減小,回流速度下降,進氣道的進氣速度增加,在366°CA時兩股相反方向的氣流在進氣門上方附近形成旋渦,在371°CA前旋渦強度逐漸增強,隨后進氣流不斷增強,旋渦強度逐漸減弱,至391°CA時旋渦消失,而后缸內(nèi)的氣體回流完全消失,進氣道內(nèi)為純進氣。由此可見,在氣門疊開過程中,缸內(nèi)高溫廢氣回流,若進氣道內(nèi)存在高濃度的氫空氣混合氣,易發(fā)生回火。由圖3(d)~3(h)可見,氣流流入氣缸的過程中,受到壁面的限制分別在缸內(nèi)的左右兩側(cè)形成方向相反的兩個滾流旋渦(左側(cè)為逆時針,右側(cè)為順時針),且渦流強度相當。這兩股氣流在壓縮過程中互相碰撞、疊加逐漸合并為一個湍流強度較大的滾流,并持續(xù)到點火時刻,如圖3(l)所示缸內(nèi)仍然存在較強的滾流。圖4為壓縮過程中對稱面上的湍動能分布情況。由圖4可見,在壓縮過程中,由于存在較強的滾流,缸內(nèi)中心區(qū)域的湍流強度較大,而且一直持續(xù)到點火時刻,有利于缸內(nèi)的形成濃度均勻的混合氣體。2.2氣體回流和點火圖5為不同曲軸轉(zhuǎn)角下彎管氣道氫內(nèi)燃機進氣道和缸內(nèi)的溫度分布。由圖5可見,對于非增壓的氫內(nèi)燃機,在氣門疊開過程中,由于缸內(nèi)的壓力和溫度較高,在進氣門開啟后,高溫氣體向進氣道內(nèi)回流,使進氣道內(nèi)的溫度升高;特別是在高速高負荷時,缸內(nèi)的殘余廢氣的溫度較高,回流后易點燃進氣道內(nèi)的氫燃料混合氣而發(fā)生回火。隨著活塞下行,缸內(nèi)的溫度下降,但排氣門附近的流動速度較小,湍流度很低,得不到新鮮充量的冷卻,所以溫度下降很慢。排氣門附近存在局部高溫區(qū),尤其是離進氣門最遠的排氣門邊緣的狹隙中流速很小,溫度一直很高,該區(qū)域很容易引起早燃。2.3兩氣的擴散、擴散,導致早燃傾向圖6為部分曲軸轉(zhuǎn)角下的進氣道氫氣含量分布。由圖6可見,在進氣門打開后,由于缸內(nèi)的廢氣回流阻礙了氫燃料混合氣進入氣缸,進氣道內(nèi)的燃料濃度從391°CA才開始大量增加。當氫氣擴散到排氣門附近區(qū)域時,由于當?shù)氐牧魉俸苄?混合不充分,且排氣門高溫區(qū)的氫氣濃度很高,會大幅增加早燃傾向。在壓縮過程中,缸內(nèi)的湍流度較強,使缸內(nèi)的氫氣的濃度分布較均勻。2.4切向氣流的湍流特征分析圖7和圖8分別為切向氣道不同曲軸轉(zhuǎn)角時進氣道及氣缸內(nèi)的速度分布。與圖3對比可見,在氣門疊開過程中,二者氣體流動規(guī)律類似,缸內(nèi)的較高壓力殘余廢氣均向進氣道內(nèi)回流,但切向氣道的回流更早,在360°CA時進氣道內(nèi)進氣閥上方附近已形成了回流旋渦。疊開之后的進氣過程,切向氣道使進入氣缸的氣流沿著氣缸壁和活塞形成斜軸渦流,并持續(xù)到點火開始時刻。進氣過程中由于受到燃燒室結(jié)構(gòu)的影響,在進氣門開啟較大時,從切向氣道流入氣缸內(nèi)的氣體被分流,如圖7(e)、7(f)所示,而理想的切向氣道所形成的氣流應該以向前的氣流為主,即圖7(e)、7(f)所示的進氣門右側(cè)氣流的流動速度要遠遠大于左側(cè),而左側(cè)氣流的速度仍然很大,雖在490°CA以后兩股氣流合并成一個大的旋渦,但在渦流的合并過程中存在較大的能量損失,使湍流的強度減弱。圖9為切向進氣道的三維湍動能。對比圖7(l)和圖9中的湍動能分布情況可見,在點火前時刻缸內(nèi)的渦流強度仍然較大,由于受到斜軸渦流的影響,氣缸中部特別是兩氣門中央火花塞位置的湍流強度較大;與彎管氣道相比,切向氣道所形成斜軸渦流的湍動能衰減稍大。此外,由于切向氣道所形成的斜軸渦流在燃燒室壁面高溫區(qū)和火花塞處的流動速度較大,可以增加這些高溫區(qū)域的表面對流傳熱系數(shù),強化火花塞內(nèi)和壁面狹隙的掃氣和冷卻效果,降低發(fā)生早燃的可能性。2.5切向氣流的體積圖10為切向進氣道的溫度分布。由圖10可見,切向氣道在氣門疊開期間高溫氣體回流的管長較長,原因是與彎管相比,切向氣道的體積較小,當回流量相當時,其回流的長度較大。在無回流的純進氣過程中,排氣門附近的高溫區(qū)較彎管氣道小,原因是切向氣道所形成的氣流在排氣門附近的流速較大,對排氣門附近的高溫區(qū)起到較好的冷卻作用,有利于避免局部高溫引起的早燃。2.6氣體濃度和氫氣空間濃度圖11為切向進氣道的氫氣質(zhì)量濃度分布。由圖11可見,兩種進氣道最終所形成的氣體的濃度和氫氣的空間濃度分布基本相同。由此可見,切向氣道所形成的斜軸渦流雖然強度沒有彎管所形成的滾流的湍流強度大,但二者對最終所形成混合氣的濃度影響很小。2.7進氣道對細胞總質(zhì)量的影響圖12為不同進氣道的混合氣總質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。由圖12可見,在相同的模擬工況下,兩種不同形式的進氣道對缸內(nèi)混合氣的總質(zhì)量的影響相同,在540°CA時達到峰值,之后有所降低。這主要是因為在模擬的工況下,進氣遲閉期活塞上行時,混合氣有少量回流。3高溫環(huán)境下局部高溫(1)在疊開期彎管進氣道和切向進氣道的氫內(nèi)燃機均發(fā)生高溫氣體向進氣道內(nèi)的回流,彎管進氣道在366°CA時缸內(nèi)回流氣體和進氣道來流這兩股方向相反的氣流在進氣門上方附近形成旋渦,在371°CA前旋渦強度和回流逐漸增強,隨后均減弱,至391°CA時缸內(nèi)的氣體回流完全消失?；亓魇惯M氣道內(nèi)的溫度升高,易點燃進氣道內(nèi)的氫燃料混合氣而發(fā)生回火。排氣門附近高溫區(qū)的湍流度低,冷卻不充分,局部溫度很高,特別是離進氣門最遠的排氣門邊緣的狹隙中流速小、溫度高,當高濃度氫空氣混合燃料擴散到排氣門附近高溫區(qū)域時,停留時間長,很容易發(fā)生早燃。(2)彎管進氣道氣流受到壁面的限制分別在缸內(nèi)的左右兩側(cè)形成方向相反、渦流強度相當?shù)膬蓚€滾流旋渦。這兩股氣流在壓縮過程中互相疊加逐漸合并為一個湍流強度較大的滾流,并持續(xù)到點火時刻。切向氣道的氣流沿著氣缸壁和活塞形成斜軸渦流,并持續(xù)到點火開始時刻,氣缸中部特別是兩氣門中央火花塞位置的湍流強度較大;在進氣門開啟較大時,從切向氣道流入氣缸內(nèi)的氣體被分流,在490°CA以后兩股氣流合并成一個大的旋渦,湍動能衰減稍大。(3)切向氣道在氣門疊開期間較早發(fā)生回流,在360°CA時進氣道內(nèi)進氣閥上方附近已形成了回流旋渦,而且高溫氣體回流的管長較長。切向氣道所形成的斜軸渦流在燃燒室排氣門附近壁面高溫區(qū)和火花塞處的流動速度較大,增加這些高溫區(qū)域的表面對流傳熱系數(shù),強化火花