第5期（总第238期） 2018年10月
车用发动机 VEHICLE ENGINE
No 5 (Serial No 238)
Oct2018
燃烧方式对氢内燃机燃烧和排放的影响研究
段俊法，唐建鹏，张字宇，魏巍，李权才
（华北水利水电大学机械学院，河南郑州450045）
摘要：基于氢内燃机试验样机建立内燃机三维实体模型，耦合详细氢空气化学反应机理，运用Converge软件
建立氢内燃机CFD仿真模型并进行验证，仿具分析了中高负荷下稀薄燃烧和当量燃烧两种燃烧方式下氢燃料内燃机的燃烧特性和NO，排放规律。仿真结果表明：在氢气供给量相同的情况下，稀薄燃烧比当量燃烧速度更快， 0H浓度更高，固而稀薄燃烧会得到更高的缸内压力，更有利于动力性的发挥：两种燃烧方式下的缸内最高平均温度较为接近但当量燃烧方式下最高温度相位相对滞后，可以有效降低NO排放。采用EGR技术可以实现当量燃烧，但过大的EGR率也会带来内燃机动力性能下降。
关键词：氢发动机；稀薄燃烧；当量燃烧；燃烧特性；氮氧化物 DOI:10 3969/jissn 1001-22222018 05 015
中图分类号：TK4212：
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2018)05-0082-05
能源紧张、环境污染和温室效应成为世界范围内关注的焦点，传统内燃机作为汽车的主要动力，不仅消耗大量的化右能源，其废气排放还是城市大气污染的主要来源之一，废气中的CO2也是造成温室效应的重要因素[1-3]。因此清洁低碳的内燃机替代燃料成为研究热点。氢气以其可再生、无污染、无碳排放等特性受到研究者的广泛关注，被认为是较为理想的内燃机替代燃料。国内外一些汽车厂商如宝马、福特、马自达和长安等均已经研制出氢燃料内燃机，并稳定运行。
气具有很高的绝热燃烧温度，因而氢发动机在中高负荷时会产生大量的NO：排放5-6]。孙柏刚、Safari、Subramanian等-试验研究发现，当量比大于06时氢内燃机产生高浓度的NO，排放，在当量比为08左右时N0，排放达到最大值。在低负荷采用稀薄燃烧技术，在高负荷采用当量燃烧技术，都会较好地抑制NO：生成，但会造成动力性下降10-11]。研究中高负荷下燃烧方式对内燃机动力性和排放的影响，对于氢燃料内燃机性能优化具有重要意义。
本研究以某进气道喷射氢燃料内燃机试验样机为原型，建立内燃机三维实体模型，并耦合较为详尽的19基元H一O一N反应的机理,得到CFD仿真模型，应用试验数据对CFD模型进行标定和验证，
收稿日期：2018-05-12；修回日期：2018-07-29
基于仿真对比稀薄燃烧和当量燃烧两种燃烧方式下
氢燃料内燃机的燃烧和排放特性。 1
模型的建立及验证 1.1氢燃料内燃机
以1台4缸四冲程进气道喷射氢燃料内燃机为原型建立三维仿真模型，该内燃机的主要参数见表1。
表1氢燃料内燃机主要参数
着火方式排量/L
燃料供给方式
气缸数缸径/mm 行程/mm 压缩比
进气门开启角/(°）进气门关闭角/（°）排气门开启角/（°）排气门关闭角/（°）
火花点火 8661 进气道喷射 4 86 86 10 : 1 368 128 560 354
为减少计算量和计算时盾，忽略各气缸之间工作的不一致性，建立仅包含进排气道、进排气门、气缸、活塞以及火花塞等部件的单缸内燃机三维实体模型（见图1)。将STL格式三维模型文件导入Con vergeStudio中，经过对模型几何表面检测和修复后，
作者简介：段俊法（1972—），男，副教授，博士，研究方向为动力机械与新能源;duanjunfa@126com。