喷孔直径对PFI氢内燃机燃烧和排放特性的影响

张孚，杨振中，靳康，李丹丹，孙永生

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

喷孔直径对PFI氢内燃机燃烧和排放特性的影响

张孚，杨振中，靳康，李丹丹，孙永生

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.020

通过对一台双孔对置式PFI氢内燃机进行三维数值模拟，对比分析了不同喷孔直径下氢内燃机混合气形成质量及缸内燃烧和排放特性。结果表明：随着喷孔直径的增加，缸内混合气均匀性系数逐渐降低，而缸内最大压力、最高温度、瞬时放热率、累积放热量和NOx排放均呈先增大后减小趋势。

氢内燃机；喷孔直径；燃烧；排放

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-53-03

概述

随着化石能源的日益枯竭以及大气污染的加速恶化，人类开始不断开发高效可再生的清洁能源。氢气因其扩散速度快、着火界限宽、点火能量低、燃烧清洁等优点已得到国内外广大学者的认可[1-3]。

近年来，国内外学者对内燃机燃氢进行了多方面的研究。杨振中[4]等研究了点火提前角对氢内燃机燃烧和排放性能的影响，研究得出通过优化点火提前角可以有效的改善氢内燃机性能。孙柏刚[5]等研究了氢内燃机NOx排放特性，研究得出当量比是影响NOx排放的关键因素。Antonella[6]等研究了氢内燃机在高转速时NOx的生成机理。

国内外学者对氢内燃机运转参数进行了较多的研究，而少有学者进行喷射系统结构参数的研究。本文针对一台双孔沿进气歧管周向均匀分布式PFI氢内燃机，运用数值模拟的方法重点研究了喷孔直径对氢内燃机混合气形成过程及燃烧和排放特性的影响，为氢内燃机的优化设计提供理论参考。

1、数学模型的建立

研究采用一台单缸四气门氢内燃机，其连杆长度137mm，缸径94mm，行程85mm，压缩比9.7:1。根据其几何结构参数建立主要包括进排气道、进排气门、气门座和气缸的三维几何模型。分别建立了喷孔直径为2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm的三维模型，为简化计算，并考虑到气缸和进排气道的对称性，仅建立了包含半个进排气道和半个气缸的三维模型。

为了使数值模拟符合实际工况，本文在模拟时考虑了边界条件对工质的影响，各边界条件的设置如表1所示。缸内初始压力0.11MPa，初始温度700K。

图1 氢内燃机计算网格

表1 边界条件设置

2、结果与分析

研究选取喷氢起始角394oCA，缸内平均当量比0.67，点火时刻为710oCA，转速4500r/min。

2.1 对混合气均匀性的影响

氢气与空气混合越充分越利于组织燃烧，因此可以用均匀性系数来定量评价混合气的均匀程度。

图2 缸内混合气均匀性系数随喷孔直径变化曲线

图2为点火时刻的缸内混合气均匀性系数随喷孔直径的变化曲线。由图2可见，缸内混合气均匀性系数随着喷孔直径的增大而减小，这是因为在相同的喷射压力下，喷孔直径越小氢气射流锥底半径越小，喷射持续期越长，氢气与空气接触的机会增加，混合越充分，均匀性系数则越大。

2.2 对缸内压力和温度的影响

图3为不同喷孔直径时，缸内平均压力和平均燃烧温度随曲轴转角的变化曲线。由于喷孔直径2.5mm时，火花塞附近混合气浓度较低，火花塞跳火后混合气未能被点燃。

图3 不同喷孔直径时缸内压力和燃烧温度变化曲线

图3可以看出，随着喷孔直径的增大，缸内最大压力和最高燃烧温度均出现先增大后减小的趋势，且都在喷孔直径4mm时达到最大值。这是由于在进气门关闭前缸内混合气出现倒流回进气道现象，随着喷孔直径的增大，回流量越小，缸内剩余氢气质量呈上升趋势。而直径大于4mm后，缸内混合气的混合均匀性显著下降，燃烧持续期增长，对外做功多，致使缸内最大压力和最高温度也随之出现大幅下降趋势。

图3还可以看出，随着喷孔直径的增加，缸内最大压力和最高燃烧温度出现的时刻也逐渐滞后，这是由于随着喷孔直径的增加，缸内混合气均匀性逐渐降低，混合气燃烧速度逐渐下降所致。

2.3 对放热率和放热量的影响

图4为不同喷孔直径时，缸内瞬时放热率和累积放热量随曲轴转角的变化曲线。从图4可以看出，随着喷孔直径的增大，最大瞬时放热率和累积放热量都呈现出先增大后降低的趋势，且都在喷孔直径4mm时达到最大值，而后出现大幅下降现象。这是由于随着喷孔直径的增大，缸内混合气湍动能逐渐增加，火焰传播速度逐渐加快，使得最大瞬时放热率和累积放热量随着喷孔直径的增加而增加；喷孔直径大于4mm以后，由于混合气的混合均匀性出现显著地下降，并占据主导作用，火焰传播速率下降，使得喷孔直径大于4mm后最大瞬时放热率和累积放热量出现逐渐降低趋势。

图4 不同喷孔直径缸内瞬时放热率和累积放热量变化曲线

图5 NO生成质量分数随喷孔直径变化曲线

2.4 对排放的影响

图5为NO生成质量分数随喷孔直径的变化曲线。由图5可见，随着喷孔直径的增大，NO生成量先增加后急剧下降，且在直径4mm时出现峰值。这是因为在喷孔直径小于4mm时，随着喷孔直径的增加，缸内最大压力和最高燃烧温度均逐渐升高，高温则更有利于NO的生成；喷孔直径大于4mm后，缸内最大压力和最高燃烧温度迅速降低，也使得NO生成量急剧减少。

3、结论

a. 采用双孔对称分布的PFI氢内燃机，在4500r/min时，喷孔直径越大，点火时刻混合气的均匀性越差；而缸内最大压力、最高燃烧温度、瞬时放热率、累积放热量和NOx排放均出现先升高后下降的趋势。

b. 喷孔直径2.5mm时，在喷氢有效区间内持续喷氢缸内当量比最高达到0.4，混合气未能被点燃；喷孔直径4mm时，氢内燃机动力性、经济性均达最优，同时NOx排放也最高。

[1] S.Verhelst. Recent progress in the use of hydrogen as a fuel for internal combustion engines[J]. International Journal of Hydrogen Energy. 2014,39：1071-1085.

[2] Veziroglu T N. Hydrogen movement and the next action：Fossil fuel industry and sustainable economics[J]. International Journal of Hydrogen Energy. 1997,22：551-556.

[3] Fanhua Ma. Effect of compression ratio and spark timing on the power performance and combustion characteristics of an HCNG engine[J]. International Journal of Hydrogen Energy. 2012,37：18486-18491.

[4] 杨振中. 点火提前角对氢发动机性能的影响及智能控制技术[J].太阳能学报. 2003,24(4)：518-522.

[5] Sun Baigang. NOx emission characteristics of hydrogen internal combustion engine[J]. Journal of Beijing Institute of Technology. 2014,23(3)：339-344.

[6] Antonella Ingenito. NOx reduction strategies for high speed hydrogen fueledvehicles[J]. International Journal of Hydrogen Energy. 2015,40：5186-5196.

The effect of injector orifice on combustion and emission characteristics of a PFI hydrogen internal combustion engine

Zhang Fu, Yang Zhenzhong, Jin Kang, Li Dandan, Sun Yongsheng
（North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450011）

A In this paper,based on a symmetric double injector of PFI hydrogen internal combustion engine (HICE) system. And the quality of hydrogen-air mixture、combustion and emission characteristics of hydrogen internal combustion engine under different injector orifice were analyzed by uesing 3D numerical simulation method. It was found that the uniformity coefficient of mixture decrease with the increase of injector orifice, but the maximal pressure and temperature in cylinder, rate of heat release, accumulated heat release and NOx emission increasing first and then decreasing.

hydrogen internal combustion engine; injector orifice; combustion; emission

U467.2

A

A1671-7988(2017)01-53-03

张孚（1991-），男，硕士研究生，就读于华北水利水电大学。主要从事汽车清洁能源燃烧与排放优化的研究。