基于AVL-FIRE的氢发动机燃烧过程分析

随着汽车保有量的不断提高，石油资源短缺和环境污染愈来愈严重，寻求-种新的可替代清洁燃料迫在眉睫1l。而在众多的可替代燃料中，氢能源的优点十分突出：例如其具有清洁性，燃烧产物为水；单位质量的能量密度比传统石油燃料要高很多；氢气的制造来源广泛，具有永久再生生等。这些优点使得国内外众多科学家们认为在不久的将来氢能源替代传统的石油燃料将成为必然的趋势r2-31。除此之外，使用氢能源作为燃料的发动机与传统的汽油发动机相比具有点火能量低易启动，着火界限宽容易实现稀薄燃烧，缸内火焰燃烧速度快等独特优势。而且燃氢发动机不用重新设计制造，将传统石油燃料发动机的燃料供给系统、进气系统等结构稍加改造后就可直接燃用氢 。但是氢发动机也有其自身的缺陷，如输出功率低，容易发生早燃、回火等不正常燃烧现象。这些都是阻碍氢发动机进-步发展的重要问题。利用AVL-FIRE软件对氢发动机在不同初始温度、初始压力以及当量比条件下的压缩和燃烧过程进行CFD模拟计算，分析了它们对氢发动机燃烧过程的影响，为解决氢发动机在实际运行过程中的异常燃烧问题提供了理论依据。

2瞬态过程模拟2.1 JH600发动机基本参数及其动网格划分嘉陵JH600发动机基本参数，如表1所示。其中，缸径为94mm，行程为85mm，连杆长度为160mm。此发动机为单缸机，分别有-个进气门和-个徘 ]，压缩比为9.7，计算转速为1 lOOr/min，点火时刻为686。CA。由于氢发动机是由嘉陵 JH600发动机稍加改造而来的，其发动机内部的主要结构参数没有变动，所以按照表 1中所示的发动机主要参数首先利用三维CAD软件SolidWorks建立上来稿 日期：2012-06-23基金项目：河南省创新型科技人才队伍建设工程(创新型科技团队，2011-39)；郑州市科技创新人才专项(096SYJH25086)；华北水利水电学院研究生教育创新计划基金资助项 目(YK2010-001)作者简介：杨 光，(1988-)，男，河南洛阳人，硕士研究生，主要研究方向：氢燃料发动机的优化与控制；杨振中，(1957-)，男，山西省繁峙县人，教授，博士，主要研究方向：发动机工作过程优化控制及 H：燃料发动机的研究92 机 械 设 计 与制 造No.4Apr.201 3渐增大，这主要是由于进气门关闭时刻缸内的混合气体温度较高、混合气较浓引起的。当初始温度为430K时，缸内温度在 726。

CA时达到峰值温度 2366.6K。而当初始温度为 400K时，缸内温度在 730。CA时达到峰值温度 2334.9K。

缸内压力随不同进气初始温度的变化，如图 5所示。由图 5可以看出.随着初始温度的升高，缸内峰值压力有所降低，这主要是由于温度的升高增加了燃料异常燃烧的趋势 ，可能导致早燃的发生，这样在混合气燃烧初期放出大量热量时发动机气缸还具有较大的容积，压缩负功增加.从而使峰值压力下降。从图中还可以看出，燃料点燃后缸内的压力升高率随着初始温度的升高而逐渐增大，从而使缸内达到峰值压力的时刻提前。

- 般而言，进气初始温度对发动机的影响是可以忽略的，主要在f自然吸气的发动机其进气温度变化范围并不大，而且与其它 素对发动机燃烧过程的影响相比较，初始温度对发动机的影响微 乎其微[61。但是对于氢发动机而言，进气初始温度对燃烧过程有较大的影响。

32氢发动机燃烧过程受初始压力的影响在发动机转速为 1100 r/min，当量比为 0.5，进气门关闭时刻的初始温度为 415K时，通过将初始压力从 110000Pa凋整变化130000Pa，来研究随着初始压力的逐渐升高对氢发动机燃烧过程所造成的影响。

璁曲轴转角(。)CA图6缸内温度随不同初始压力的变化Fig.6 Efect of Different Initial Pressure on Cylinder Temperature曲轴转角 (。)CA图7缸内压力随不同初始r匠力的变化Fig.7 Effect of Diferent Initial Pressure on Cylinder Pressure缸内温度随不同初始压力的变化，如图 6所示。从图 6中可以看出，缸内的峰值温度随着初始压力的升高呈逐渐上升趋势，且随着初始压力的逐渐升高峰值温度提前达到。当初始压力为0.11MPa和0.13MPa时，缸内峰值温度分别为2350K和 2362K。

这主要是由于初始压力的升高使得充人发动机气缸中的混合气质量增多，从而加速了氢发动机中氢气的燃烧 ，燃烧过程放出的热量增加，从而使得峰值温度上升，达到峰值温度的时间提前。

缸内压力随不同初始压力的变化，如图7所示。从图7中可以看出，当初始压力逐渐增大时，缸内的峰值压力呈明显上升趋势。这主要是由于-方面初始压力的上升提高了缸内的平均压力 ，另-方面初始压力的提高促进了氢发动机的燃烧，从而引起峰值压力的上升。在初始压力为0.1 1MPa时，氢发动机缸内峰值压力为3。32MPa。当初始压力上升至 0.15MPa时，发动机缸内的峰值压力达到4.59MPa，比0.1 1MPa条件下高出1.27MPa。

3.3氢发动机燃烧过程受当量比的影响此时保持进气门关闭时刻发动机转速为 1100 r/rain，缸内初始压力为 1 10000Pa，初始温度为415K等初始条件固定不变，点火时刻为 34。CA BTDC，通过将当量比从 0.5调整变化至 1，来研究不同的当量比对氢发动机燃烧过程的影响。

缸内温度和压力随不同当量比的变化趋势，如图 8、图 9所示。从图 8、图9中可以看出随着当量比的增加，缸内的温吱和压力都呈明显上升的趋势，而且达到峰值温度和峰值压力的时间都有所提前。由图9可以看出，在当量比为0.5时，混合气体中氢气的浓度比较低，但此时氢发动机气缸中的峰值压力仍然可以达到3.3MPa，由此可见氢气的着火范围很广，有助于实现稀薄燃烧 ，来改善发动机的启动性能，提高经济性[71。

赠曲轴转角(。)CA图8缸内温度随不同当量比的变化Fig 8 Effect of Different Equivalence Ratio on Cylinder Temperature曲轴转角(。)CA图9缸内压力随不同 量比的变化Fig.9 Eftct of Different Equivalence Ratio on Cylinder PressureNo.4Apr.201 3 机械设计与制造 93由图 8和图 9比较可知，虽然随着当量比的增加提高了缸内的燃烧热效率，燃烧温度和燃烧压力.但是过大的当量比会使氢发动机缸内形成大量的混合气体，从而在燃烧初期大量的混合气体同时燃烧，着火后使得压力升高率过大出现压力波动现象。

这些加大了氢发动机异常燃烧的可能性 ，因此选取适当的当量比也是抑制发动机异常燃烧的途径之-卸。

4结论(1)当初始温度逐渐升高时，点火后缸内燃烧温度的升高率以及缸内的压力升高率都有所增大，缸内峰值压力有所降低，但达到峰值压力的时刻提前；(2)当初始压力逐渐增大时，缸内的峰值温度呈逐渐上升趋势，且达到峰值温度的时问逐渐提前，缸内的峰值压力随着初始压力的增大而升高；(3)当当量比逐渐增加时，缸内的温度和压力都呈明显上升的趋势，而且达到峰值温度和峰值压力的时间都有所提前。随着当量比的升高.氢发动机发生异常燃烧的概率大大增加。