含氢燃料发动机的燃烧特性研究.docx

含氢燃料发动机的燃烧特性研究.docx

《含氢燃料发动机的燃烧特性研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《含氢燃料发动机的燃烧特性研究.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

含氢燃料发动机的燃烧特性研究

含氢燃料发动机的燃烧特性研究

姓名：

时冰 学号：

201005108002

摘要：

本文针对氢发动机以及H2/CH4混合燃料发动机进行了数值模拟仿真与试验研究，为寻找高效率低排放的氢和含氢燃料发动机提供思路和依据。

本文从氢燃料的混合气形成和燃烧特征着手通过1台点燃式进气歧管喷射氢燃料发动机的最大燃烧压力的试验分析，获得了不同工况下的最大燃烧压力循环变动系数，以此为基础研究了过量空气系数、点火提前角以及转速对氢燃料发动机燃烧循环变动的影响趋势。

结果表明，点火提前角对氢燃料发动机循环变动的影响相对较大。

当点火时刻提前，引起氢空混合气燃烧过程提前，缸内的压力和温度在点火后迅速增加，已燃气体滞留在高温下的时间较长，NO的生成量增加。

每循环燃料量一定，进气初始温度降低或者进气初始压力增大可以使得进入缸内的氢空混合气变稀点火后燃烧速率减小，缸内温度和压力峰值减小，放热率峰值减小，放热持续期增长。

同时，缸内温度的下降抑制了NO的生成。

关键词：

氢发动机；燃烧特性；实验；排放；热效率

ResearchOnContainsHydrogenFuelEngineCombustionCharacteristicsandEmissions

Abstract：

ThispaperhydrogenengineandH2/CH4mixedfuelengineforthesimulationandexperimentalstudy,forlookingforhighefficiencylowemissionofthehydrogenandcontainshydrogenfuelenginetoprovideideasandbasis.Thisarticlefromhydrogenfuelmixtureofformationandcombustioncharacteristicstothroughthe1ignitetypeinletmanifoldinjectionhydrogenfuelenginecombustionpressureofthebiggesttestanalysisforthebiggestburningunderdifferentworkingconditionschange,thiscircularpressurecoefficientforthebasicresearchtheexcessaircoefficient,advancedignitionAngleandspeedofhydrogenfuelenginecombustioncyclicchangingofthetrend.TheresultsshowthatadvancedignitionAngleonhydrogenfuelenginecyclechangingofrelativelylarge.Whentheignitionaheadoftime,causehydrogenemptymixtureinadvanceincylindercombustionprocess,thepressureandtemperatureintheignitionrapidly,andhassetupafileRanQiTiafterstrandedinhightemperature,NOlongertheincreasedemand.Eachcyclefuelmustbe,intakeofinitialtemperaturereducingorinletpressurecanbemadeintoinitialincylinderisthinningthemixtureofhydrogenemptyafterburningratedecreases,andignitiontemperatureandpressureincylinderreduceexothermicpeak,reduced,exothermicpeakrateofgrowthduration.Atthesametime,thetemperaturedropincylinderinhibitthegenerationofnitricoxide（NO）.

Keywords:

hydrogenengine;Burningcharacteristics;Experiment;Todischarge;Thermalefficiency

引言：

氢气作为内燃机燃料，既具有清洁、可再生的特点，又具有较高  的热效率，

为解决能源和环境问题开辟了一条可持续发展之路。

氢和含氢燃料发动机的研究对我国发展新一代车用代用燃料技术具有重要意义。

对现有发动机进行适当改造后直接燃烧氢气（即纯氢燃烧和混氢燃烧）是氢能作为车辆能源的应用途径之一。

本文在现有电控汽油机的基础上对发动机进行改造，增加一套电控气道氢气喷射系统，可实现纯汽油、汽油混氢和纯氢3种燃烧模式。

利用该系统进行纯汽油和纯氢燃料的台架试验，基于试验数据对AVLBoost仿真软件的模型进行标定，研究不同当量比工况下纯氢发动机的燃烧特性。

1.试验装置和实验方法

1.1实验装置

采用现代伊兰特1.6LD型四冲程、直列四缸水冷汽油机，缸径77.4mm，行程85mm，排量1.599L，压缩比为10，连杆长度141mm，自然吸气方式。

试验前对发动机进气系统进行了改造，在发动机进气管上安装了1套自行研制的多点进气道氢气喷射系统，并采用自行开发的单片机控制系统控制氢气的喷射时刻和喷氢量，氢气喷嘴的安装位置。

尽可能靠近进气门，可有效避免回火。

该系统具有纯汽油、汽油混氢和纯氢3种燃烧模式。

氢气喷射方式为进气道预混方式，试验中氢气以0．4MPa的压力喷入进气歧管。

试验系统如图1所示。

1．2试验方法

首先在转速1100r／min,水温80。

C、节气门开度为9％、点火角为14·4。

cA（BTDC）的条件下，进行发动机燃用纯汽油的试验，各项数据采集完毕后，切断汽油供应，开启氢气供应。

由于纯氢燃烧在高负荷时NO。

排放量较高且燃烧稳定性较差，选择在稀燃条件下进行燃氢试验。

纯氢燃烧试验时发动机转速固定在1100r／min，水温80。

C，节气门开为9％，通过读取各工况点空气流量计的读数计算出所需氢气流量，并通过供氢系统和控制软件对喷氢脉宽、时刻进行调整实现控制喷氢量的功能，以此来调整纯氢燃烧时的当量比。

由于纯氢发动机的非正常燃烧现象（早燃、回火）多发生在当量比为1的情况下，当量比为O．6～0．5时，早燃、回火现象基本消失，所以选择当量比为0.8：

0.6：

0.4时进行试验利用此实验数据对AVL公司的Boost软件建立的发动机模型进行标定，并对其他工况进行纯氢发动机仿真研究。

2模型的建立与仿真结果分析

2．1模型的建立

收集试验用发动机的各项参数和数据，包括气缸几何参数、凸轮轴型线、进排气歧管几何参数、空气滤清器、三元催化器、各连接管路几何参数，以及各部件环境温度、压力、摩擦因数、流量系数等参数。

利用AVLBoost软件提供的各部件模型，根据内燃机学、传热学和工程热力学知识，将收集的发动机各部件的几何参数及相应环境参数输入各模型中，完成模型的建立，如图2所示。

此模型中的放热率采用Wiebe燃烧放热模型计算，传热规律采用Woschni（1978）公式计算。

2.2仿真结果分析

以下仿真结果都是在转速1100r／min、节气门开度为9％、当量比变化、各自实现最大制动转矩的点火角（MBT）下得到的结果。

2.2.1发动机动力性能与热效率分析

图4为汽油机和氢发动机的平均指示压力和有效热效率随当量比?

的变化曲线。

从图4中可以看出，当量比?

为0．7和0．8时，发动机燃用氢气的平均指示压力和燃用汽油时基本相同。

相对汽油一空气混合气，虽然氢气一空气混合气中燃料的比例较小，但是由于氢气相对汽油扩散速度快、点火能量低、燃烧迅速、火焰传播速度快，其与空气在进气歧管内快速、充分混合，形成均匀的混合气；当混合气进入气缸后，易形成大强度的燃烧室湍流，点火后迅速燃烧并扩散，使得整个燃烧室内的混合气快速、大量放热，压力升高明显，平均有效压力增大，相同当量比工况下作功能力与燃用汽油基本相当。

随着当量比升高至0．9和1时，从图4中可以看出燃用汽油的平均指示压力比燃用氢气的高，且有随当量比上升差距增大的趋势，这是由于随着混合气浓度的提高，燃烧压力上升，作功能力增强，但是氢气一空气混合气中氢气是以气态存在，所以占用了较多的燃烧室空间，导致进入燃烧室的空气相对汽油要少很多，这就使得当量比上升后汽油一空气混合气热值上升的幅度大于氢气一空气混合气，因而导致两种燃料在当量比分别为0．9和1时平均指示压力之差有逐渐增大的趋势。

鉴于当量比在1附近时氢气燃烧会产生大量的NO，兼顾动力性能和排放性能，氢发动机运行在?

=0．8时较为合理，此时的平均指示压力为汽油?

=l时平均指示压力的80．77％，作功能力有一定幅度的下降。

这主要是由于进气道气态喷氢使得燃烧室内燃料相对普通汽油机要少而造成的。

从图4中对比两种燃料在声为0．7～1的有效热效率可以发现，燃用氢气的有效热效率要高于燃用汽油的有效热效率，这是由于混合气处于稀薄状态，且氢气燃烧速度快，火焰传播速度快，导致燃烧持续期大幅缩小，传热损失相应减少，同时平均指标压力增大，缸内残余废气压力下降（比同工况燃用汽油小4．5％左右），有利于提高充量系数，并减少泵气损失，氢气的快速燃烧还使得整个燃烧过程接近定容燃烧，使发动机有效热效率得到提高。

此外，由于燃烧持续期短，氢燃烧时放热率峰值出现在上止点附近，燃料热能转换成机械能的效率较高，因此热效率较高。

2.2.2循环变动表征参数分析

燃烧循环变动的量化是通过计算特征参数的循环变动系数实现的，一般来说，表征循环变动的参数大体上可分4类，即与压力有关的参数、与燃烧有关的参数、与火焰前锋有关的参数和与排气有关的参数。

由于缸内压力测量比较简单、方便，压力传感器可与火花塞集成一起，在表征循环变动的这些参数中最常用的是与缸内压力有关的参数，即最大燃烧压力及其出现位置、最大压升率及其出现位置、各循环的平均指示压力等。

在这些参数中，平均指示压力（Pt）的变动最能体现发动机对燃烧过程循环变动的整体反应，但由于P是计算值，其取值精度很大程度上受到上止点位置精度的影响，从而其在大样本容量下的样本统计量的值也受上止点位置精度的影响（上止点位置误差1。

CA，将使循环变动系数cov加的相对误差超过15％，由于上止点位置的精度很难控制，pj的精度也很难控制，而其他表征参数的取值都不受上止点位置的影响。

由于氢燃料的燃烧速度较快，采取外部混合气形成方式的氢发动机的混合气形成和燃烧，属于预混火焰的混合气形成和燃烧。

在混合气较浓的情况下，着火后即可能产生高的压力升高率，并出现压力波动现象。

压力升高率由气体压力曲线微分而来，压力曲线微小的波动都可能造成压力升高率曲线大的抖动，因此，最大压力升高率及其出现位置的计算

结果必然会有一定误差，使得最大压力升高率及其出现位置的价值被削弱了。

随着最大燃烧压力增加，最大压力升高率也增加，最大燃烧压力的波动情况可间接反映压力升高率的波动情况。

因此，用最大燃烧压力表征燃烧循环变动最理想。

氢发动机最大燃烧压力是评判和计算氢一空气混合气燃烧质量以及氢发动机零部件强度的主要依据，且Pm