李清博，路 斌，孟育博

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

近些年，世界上許多學(xué)者對氫內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行了研究，并取得了一些成果，推動了氫內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展［1－6］.筆者應(yīng)用 AVL－FIRE 軟件對嘉陵500氫燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行了模擬，以研究轉(zhuǎn)速對其燃燒特性的影響規(guī)律.

1 模型的建立

1.1 模擬對象

試驗(yàn)用內(nèi)燃機(jī)為經(jīng)過改裝的嘉陵500發(fā)動機(jī)，水平放置，風(fēng)冷，排量 0.498 L，缸徑 80 mm，沖程80 mm，壓縮比4.8，噴氫壓力 0.2 MPa.模擬過程采用的過量空氣系數(shù)2.1，點(diǎn)火提前角10°CA.

1.2 模型網(wǎng)格

文中主要模擬發(fā)動機(jī)的燃燒部分，燃燒部分的計(jì)算域是隨著活塞的移動而改變的.網(wǎng)格的生成步驟如下:

1)用SolidWorks軟件建立發(fā)動機(jī)的三維CAD模型，并導(dǎo)入FIRE內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示.

2)進(jìn)行網(wǎng)格劃分后可以得到300°CA時(shí)刻的體網(wǎng)格.

3)檢查體網(wǎng)格，對不符合要求的進(jìn)行修改.

4)建立.fep文件，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，并劃分動網(wǎng)格.動網(wǎng)格的劃分很重要，它直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度.

圖1 發(fā)動機(jī)三維模型網(wǎng)格

2 模擬邊界

邊界條件對計(jì)算結(jié)果的精度很重要，該發(fā)動機(jī)模型的邊界條件見表1.

表1 邊界條件

流動模型采用κ－ζ－f湍流模型，燃燒模型采用CFM-2A連續(xù)火焰燃燒模型，碳煙生成模型采用Kennedy－Hiroyasu－Magnussen模型.

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)壓力的影響

圖2給出了不同轉(zhuǎn)速下的壓力示功圖.由圖2可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，最高壓力逐漸下降.說明節(jié)氣門開度不變的情況下，進(jìn)入汽缸內(nèi)的新鮮充量變少，最高壓力也隨之變低.

圖2 不同轉(zhuǎn)速的壓力示功圖

由圖3可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的增加，缸內(nèi)最高壓力逐漸下降;最高壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)(360°CA)后10°～11°CA，此時(shí)在保證發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，能獲得最大的有效功率.

圖3 缸內(nèi)最高壓力和其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

3.2 轉(zhuǎn)速對指示熱效率及循環(huán)變動系數(shù)的影響

圖4給出了指示熱效率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系.從圖中可以看出，指示熱效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到2 200 r/min時(shí)候，指示熱效率達(dá)到最高，然后隨著轉(zhuǎn)速的升高逐漸下降.說明在點(diǎn)火提前角固定的情況下，轉(zhuǎn)速增加會使得燃燒不充分，造成指示功下降，故熱效率降低.這種情況下，會造成燃燒穩(wěn)定性下降，循環(huán)變動系數(shù)升高，如圖5所示.圖5中的循環(huán)變動是采集100個(gè)連續(xù)循環(huán)過程中每個(gè)循環(huán)的平均指示有效壓力除以它們的均值得來.

4 結(jié)語

通過模擬分析不同轉(zhuǎn)速下氫內(nèi)燃機(jī)的燃燒特性，可以看出，該內(nèi)燃機(jī)能很好地適應(yīng)中低轉(zhuǎn)速;最高壓力會隨著轉(zhuǎn)速的上升逐漸下降;指示熱效率隨著轉(zhuǎn)速先升高后下降;轉(zhuǎn)速升高到一定程度時(shí)，發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)會惡化，表現(xiàn)為指示熱效率下降，循環(huán)變動系數(shù)升高，需要進(jìn)一步改變相關(guān)參數(shù).

［1］楊振中，孫永生.最佳過量空氣系數(shù)優(yōu)化控制氫發(fā)動機(jī)性能的建模實(shí)現(xiàn)［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2006，27(3):39－42.

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