CN103334851A - 一种氢内燃机氢气射流分散及混合气体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢内燃机氢气射流分散及混合气体的方法，其中，步骤一，确定混合气均匀性评价指标，采用缸内混合气不均匀系数n_index来评价缸内混合气的混合均匀性：步骤二，建立进气道和气缸的CFD仿真模型，基于模型仿真确定扰流块的形状和位置；步骤三，安装扰流块：根据三维仿真模型中的扰流块形状和位置，制造扰流块，将扰流块安装在内燃机内。本发明通过在气道内合理设置扰流快，分散氢气喷射射流，增大进气涡流，加快氢空气的混合速度，增大氢空气的混合均匀性，改善氢气的扩散效果，实现混合气的均匀混合。

Description

一种氢内燃机氢气射流分散及混合气体的方法

技术领域

本发明主要涉及内燃机混合气体的方法，具体为一种氢内燃机氢气射流分散及混合气体的方法。

背景技术

氢气的绝热燃烧温度很高，氢燃料内燃机的缸内温度高于传统内燃机，在大负荷工况比传统内燃机容易产生更多的NO_X排放。研究表明，氢内燃机NO_X排放随当量燃空比急剧增大，表现出强烈的非线性关系。因而为满足排放要求，氢内燃机常采用较低的当量燃空比，在稀燃条件下工作，这也是氢内燃机的功率密度较低一个重要因素。

燃料和空气的混合过程直接影响着内燃机的燃烧性能及排放特性。氢气和空气的混合越均匀，越不易形成局部过浓的氢-空气混合气，产生的NO_X排放越低。在保证同样NO_X排放的基础上，可以采用更大的大量燃空比，提高氢气燃烧速度，提高热力循环等容度，获得较高的燃烧效率及功率密度。因而实现氢气和空气的均匀预混可以提高氢内燃机的动力性、燃料经济性和降低NOX排放。当前提高混合均匀性的方法主要有两种：其一，调整喷氢相位，增大氢空气的混合时间，获得更加均匀的混合气。但过早喷射容易引起氢气燃料的损失，由于配气相位的限制，喷氢提前量有限。其二，提高喷射压力，增大扩散速度，提高混合均匀性，但过高的喷射压力增大氢气在气瓶中的残留量，降低燃料利用率，因而喷射压力不能过高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氢内燃机氢气射流分散及混合气体的方法，通过在气道内合理设置扰流快，分散氢气喷射射流，增大进气涡流，加快氢空气的混合速度，增大氢空气的混合均匀性，改善氢气的扩散效果，实现混合气的均匀混合。

本发明采用以下技术方案：

一种氢内燃机氢气射流分散及混合气体的方法，其中，采用如下步骤：

步骤一，确定混合气均匀性评价指标，采用缸内混合气不均匀系数n_index来评价缸内混合气的混合均匀性：

将气缸分成有限个体积单元，在单元小于一定尺度的时候，认为每个单元内的混合气完全均匀，以φ_i表示单元i的当量燃空比，V_i表示单元i的体积，V表示整个气缸的体积，φ_avg表示平均当量燃空比；则：

$n_{\mathrm{index}}=\frac{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}|V_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}---\left(1\right)$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}{V}---\left(2\right)$

步骤二，建立进气道和气缸的CFD仿真模型，基于模型仿真确定扰流块的形状和位置；

基于具体的氢内燃机，建立包含进气管，扰流快，气门，气缸在内的三维实体模型，导入CFD仿真软件后生成三维网格；确定工况，计算氢空气混合气的气流运动和混合规律，得到扰流块外形参数对不均匀性的影响规律，确定扰流块外形和位置；

步骤三，安装扰流块：根据三维仿真模型中的扰流块形状和位置，制造扰流块，将扰流块安装在内燃机内。

作为优选，所述扰流块设在内燃机进气道内进气门和氢气喷嘴之间，氢气喷嘴的前方。

作为优选，所述扰流块为椭圆形或锥形。

本发明的有益效果是：

本发明的关键是确定扰流块的形状和位置。氢气射流遇到扰流块被扰流块分割，并在沿着扰流块表面法向的冲量作用下，沿着扰流块的表面切向和方向流动，增大了氢气和空气的接触面积，同时扰流块后方形成涡流，促进氢气和空气的混合。射流的分散程度和湍流强度决定了混合均匀性的关键。在本发明中，通过建立进气道和扰流块的三维计算模型，采用CFD仿真分析扰流块对射流分散和涡流形成的影响规律，得到扰流块形状和位置。

通过此方法可以指导进气道的设计，根据仿真计算确定扰流块的外形和位置后，将扰流块设置在进气道内，氢气喷嘴前方，使氢气喷射射流实现分散，增大进气涡流，促进氢空气的混合，提高混合气均匀性和空气的利用率，改善排放状况。同时内燃机以更高的当量燃空比工作，提高效率和功率密度。

本发明适用于进气道燃料喷射氢内燃机，也可适用于其他的进气道燃料喷射气体燃料内燃机，可采用锥形和椭圆形等多种外形的扰流块，改善混合气的均匀性，提高内燃机排放和功率密度，具有重大的实用价值。

附图说明

图1氢气喷射射流在无扰流块时缸内混合气的浓度分布；

图2氢气喷射射流在椭圆形扰流块时缸内混合气的浓度分布；

图3氢气喷射射流在锥形扰流块时缸内混合气的浓度分布；

图4加扰流块和不加扰流块的缸内混合气均匀性对比；

图5扰流块在进气道内的安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步描述：

本实施例中，选定一款4缸PFI氢内燃机，其基本技术参数为：排量2.0L,缸径87mm，冲程86mm，连杆长度125mm，气缸余隙高度1.3mm，压缩比10，进气道内径40mm，喷氢阀喷射压力0.4MPa。

首先确定混合气均匀性评价指标。本发明采用缸内混合气不均匀系数n_index来评价缸内混合气的混合均匀性：

将气缸分成有限个体积单元，在单元小于一定尺度的时候，认为每个单元内的混合气完全均匀，以φ_i表示单元i的当量燃空比，V_i表示单元i的体积，V表示整个气缸的体积，φ_avg表示平均当量燃空比。则：

$n_{\mathrm{index}}=\frac{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}|V_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}---\left(1\right)$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}{V}---\left(2\right)$

由式（1）可知，不均匀系数n_index越小，各体积单元的混合气燃空比和缸内平均当量燃空比的差值越小，混合气均匀性越好。

建立进气道和气缸的CFD仿真模型，基于模型仿真确定扰流块。

基于具体的氢内燃机，建立包含进气管，扰流快，气门，气缸在内的三维实体模型，导入CFD仿真软件后生成三维网格，限定最大网格尺寸，生成计算网格，设定初始温度和压力，根据内燃机转速和负荷条件，仿真计算可以得到加装扰流块和不加装扰流块时的氢-空气混合气分布云图。如图1，2，3所示。

检查网格质量合格后设定外界温度等初始条件和压力差等边界条件。确定工况，计算氢空气混合气的气流运动和混合规律，得到扰流块外形参数对不均匀性的影响规律，确定扰流块外形和位置。

由图1，2，3可知：不安装扰流块时混合气最为不均匀，气缸内局部的最大当量燃空比接近2.0，最小当量燃空比接近0；而加装椭圆形扰流块时气缸内局部最大当量燃空比仅1.4,最小当量燃空比约为0.6；加装锥形扰流块的混合气的不均匀性也优于不加装扰流块的方案，最大局部当量燃空比约为1.6，最小局部当量燃空比约为0.2。

图4是计算得到的不均匀系数对比，无扰流块时缸内混合气的不均匀系数达到0.34，而采用椭圆形扰流块和锥形扰流快时的不均匀系数分别为0.06和0.15。因而椭圆形扰流块用于本发动机对混合气均匀性的提高最为显著。可以确定为最终采用的扰流块。

根据三维仿真实体模型中的扰流块位置和形状，制造扰流块和支架。如图5所示，内燃机包括气缸6、进气门4、节气门3、排气门5和氢气喷嘴1，扰流块2通过支架固定在进气道内部，氢气喷嘴1和进气门4之间，喷氢喷嘴1的正前方，当氢气从氢气喷嘴1喷射出来以后，以较高的速度碰到扰流块2，形成分流，并在扰流块后方形成湍流，加快混合，使得进入气缸内的混合气更加均匀。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，如改变扰流块的形状，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种氢内燃机氢气射流分散及混合气体的方法，其特征在于：采用如下步骤：

步骤一，确定混合气均匀性评价指标，采用缸内混合气不均匀系数n_index来评价缸内混合气的混合均匀性：

将气缸分成有限个体积单元，在单元小于一定尺度的时候，认为每个单元内的混合气完全均匀，以φ_i表示单元i的当量燃空比，V_i表示单元i的体积，V表示整个气缸的体积，φ_avg表示平均当量燃空比；则：

$n_{\mathrm{index}}=\frac{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}|V_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}---\left(1\right)$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}{V}---\left(2\right)$

步骤二，建立进气道和气缸的CFD仿真模型，基于模型仿真确定扰流块的形状和位置；

基于具体的氢内燃机，建立包含进气管，扰流快，气门，气缸在内的三维实体模型，导入CFD仿真软件后生成三维网格；确定工况，计算氢空气混合气的气流运动和混合规律，得到扰流块外形参数对不均匀性的影响规律，确定扰流块外形和位置；

步骤三，安装扰流块：根据三维仿真模型中的扰流块形状和位置，制造扰流块，将扰流块安装在内燃机内。

2.根据权利要求1所述的一种氢内燃机氢气射流分散及混合气体的方法，其特征在于：所述扰流块设在内燃机进气道内进气门和氢气喷嘴之间，氢气喷嘴的前方。

3.根据权利要求1或2所述的一种氢内燃机氢气射流分散及混合气体的方法，其特征在于：所述扰流块为椭圆形或锥形。

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