簡介

自上個(gè)世紀(jì)以來，化石燃料已成為主要來源全球能源，由于快速發(fā)展在世界經(jīng)濟(jì)中，對能源的需求正在增加，這有加速了化石燃料的枯竭，此外，環(huán)境燃燒化石燃料造成的污染和健康問題正變得越來越嚴(yán)重。

據(jù)估計(jì)，運(yùn)輸該行業(yè)消耗了全球石油消費(fèi)量的近三分之二，隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的加劇，研究人員已經(jīng)開始關(guān)注混合燃料或替代品燃料，如沼氣，生物柴油，甲醇，乙醇，二甲醚和重整氣體，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率或減少排放。

氫，作為一種可再生的清潔資源，已廣泛繪制注意力，與傳統(tǒng)燃料相比，如汽油和柴油，氫氣表現(xiàn)出更高的特征層流火焰速度，淬火距離更短，擴(kuò)散量更高系數(shù)，然而，氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料還面臨諸如安全、預(yù)燃、適得其反和功耗降低，可有效改善燃油汽化和混合，加速燃燒，減少冷壁淬火和將氫氣引入汽油發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的周期性變化。

自避免氫氣端口容積效率下降噴射，一些研究人員調(diào)查了汽油的組合端口噴射和氫氣直接噴射（HDI），俞等研究了HDI對汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的影響并優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)中的主要參數(shù)，例如過量空氣系數(shù)和負(fù)載，結(jié)果表明，氫共和提高制動(dòng)熱效率，改善稀薄燃燒性能，燃燒持續(xù)時(shí)間縮短了大約20%，在汽油中加入10%的氫氣。

此外，他們觀察HDI對顆粒物的影響，他們觀察到成核粒子數(shù)量減少，聚集更多當(dāng)當(dāng)量比對應(yīng)于在超稀薄條件下，氫分?jǐn)?shù)的變化略微影響了粒子的數(shù)量，從而表明碳氧比的影響比較到粒子形成的當(dāng)量比，觀察EGR對進(jìn)氣口噴射燃燒和排放的影響帶HDI的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸的峰值壓力增強(qiáng)9，8%，氫氣導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩增加11%混合。

數(shù)值模型與驗(yàn)證

在這項(xiàng)研究中，一個(gè)三維3，1TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)的5D模型成立于SolidWorks，然后，模型被轉(zhuǎn)換為一個(gè)STL格式文件作為仿真軟件CONVERGE中的輸入文件，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)和參數(shù)在數(shù)字圖11和表1，另外，為了獲得更多有關(guān)混合物自燃的詳細(xì)信息，八個(gè)監(jiān)控點(diǎn)（P1-P8）均勻地設(shè)置在燃燒室中。

其中的流域由于流體流動(dòng)、化學(xué)品，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸非常復(fù)雜反應(yīng)、熱和傳質(zhì)，因此，適當(dāng)?shù)哪Ｐ捅仨氝x擇用于預(yù)測氣缸中的流體流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)具有高精度，一些研究表明，SAGE模型適用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的模擬精度高，因此被選為燃燒模型在這項(xiàng)研究中，其他模型，如湍流模型和噴霧模型，應(yīng)根據(jù)要檢查的場景進(jìn)行選擇，本文中使用的模型列于表2中。

初始條件

準(zhǔn)確的初始和邊界條件對仿真有重要影響準(zhǔn)確性，本研究的初始條件和邊界條件根據(jù)實(shí)驗(yàn)和GT功率仿真結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，表3列出了一些初始條件和邊界條件，在整個(gè)模擬過程中過程中，汽油和氫氣的總能量保持不變在所有條件下，此外，氫氣被引入渦輪增壓器后面的進(jìn)氣歧管，具體來說，HVF和分別計(jì)算每個(gè)循環(huán)噴射的汽油質(zhì)量在等式1和2中。

模型驗(yàn)證

自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化功能，可自動(dòng)加密根據(jù)區(qū)域計(jì)算過程和區(qū)域的要求，因此，它確保了計(jì)算的準(zhǔn)確性和速度，為了增強(qiáng)計(jì)算效率高，滿足精度要求，基本4毫米，使用網(wǎng)格，并且某些區(qū)域，例如氣缸套附近的區(qū)域，活塞、進(jìn)氣門和排氣門被加密為不同的度。

為了準(zhǔn)確模擬操作過程發(fā)動(dòng)機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)動(dòng)機(jī)分別以3000rpm-272，2運(yùn)行時(shí)的結(jié)果Nm和2500rpm-266，9Nm，實(shí)驗(yàn)之間的比較缸內(nèi)壓力的仿真結(jié)果如數(shù)字圖22，如圖中，仿真值與實(shí)驗(yàn)吻合較好價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)氣缸壓力的最大值為：分別為7，88和7，19MPa，以及模擬的最大值當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，氣缸壓力分別為7，91和7，12MPa工作轉(zhuǎn)速為3000rpm-272，2Nm和2500rpm-266，9Nm，錯(cuò)誤約為0，1%，誤差由等式4計(jì)算，基于該模型，模擬進(jìn)行了不同氫-汽油調(diào)和的燃燒，列出了論文中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件在表4中。

結(jié)果和討論

顯示最大氣缸壓力（P，max）、熱釋放率（HRR，max），以及相應(yīng)的曲柄角不同的HVF，進(jìn)氣壓力約為2，0bar，此外，在所有研究條件下，混合物的過量空氣系數(shù)均為1，0，如圖所示，P，max和人力資源，max隨著HVF的增加而增加，并且它們的相位逐漸增加進(jìn)展。

這是由于氫氣混合，這增加了燃燒率并使熱量釋放更加集中，然而，作為IT先進(jìn)，差異在P，max在不同的HVF中逐漸減少，在同一HVF下，max基本上隨著IT的進(jìn)步而增加，此外，P，max也以相同的趨勢增加。

它可以從中看數(shù)字?圖33c在大多數(shù)工作條件下，HRR的曲線具有只有一個(gè)山峰，然而，在低HVF和早期IT工作的情況下條件，HRR的曲線有兩個(gè)峰值，如圖33e，HRR為2，0%不同IT的HVF，它被認(rèn)為是自燃的結(jié)果。

高壓和IT對燃燒階段的影響

HVF和IT對點(diǎn)火延遲周期的影響和燃燒持續(xù)時(shí)間顯示在數(shù)字?圖44a，b，其中點(diǎn)火延遲期是指曲軸角度從點(diǎn)火起點(diǎn)到10%燃油燃燒，燃燒持續(xù)時(shí)間是指曲軸角度從10%燃料燃燒到90%燃料燃燒，如圖44a，在以下情況下固定IT，當(dāng)HVF從0，0變?yōu)?0，0%時(shí)，點(diǎn)火延遲逐漸減少，尤其是在IT延遲時(shí)。

點(diǎn)火延遲現(xiàn)象隨著HVF罐的增加而降低，從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來解釋，高分子汽油燃料中的HC不易在低溫下點(diǎn)燃和燃燒階段，下面對應(yīng)于涉及的幾個(gè)反應(yīng)方程式在汽油氧化過程中的反應(yīng)。

在上述反應(yīng)中，RH表示烷烴，R，R?，和R??表示烷基自由基，RO2表示烷基過氧化部首，M表示第三個(gè)。

然而，當(dāng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與氫氣混合時(shí)，更多免費(fèi)低溫反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的自由基H增加（如化學(xué)反應(yīng)方程13所示），鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（如方程14-16）通過消耗自由基促進(jìn)了自由基OH的形成H，這加速了氫汽油的氧化反應(yīng)混合，從而減少點(diǎn)火延遲。

而且，在相同的HVF下，點(diǎn)火延遲先減少然后隨著IT的進(jìn)步而增加，這是因?yàn)辄c(diǎn)火延遲還受到溫度和氣缸壓力的限制，因此當(dāng)IT太早時(shí)，點(diǎn)火延遲略有增加，由于到氣缸中相對較低的溫度和壓力。

至于燃燒持續(xù)時(shí)間，在固定的IT下縮短HVF的增加，并且隨著進(jìn)步在固定HVF處也縮短了的，然而，當(dāng)HVF約為8，0%時(shí)，燃燒持續(xù)時(shí)間在IT早期時(shí)增加，這是因?yàn)榭贡鹦曰旌衔镫S著氫氣的增加而改善，此外，隨著IT的進(jìn)步，部分燃料將在相對消耗低溫低壓級(jí)，從而降低自燃的尾氣并延長燃燒持續(xù)時(shí)間。

燃燒事件必須相對于頂部中心正確分階段活塞位置以獲得最大功率或扭矩，CA50是也是評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒階段的重要指標(biāo)，不同IT和HVF下的CA50值顯示在數(shù)字?圖55，在給定的超額空氣系數(shù)（1，0）和固定IT，CA50逐步推進(jìn)隨著HVF的興起。

此外，對于固定HVF，CA50也很先進(jìn)隨著IT的興起，這表明HVF的增加和先進(jìn)的IT導(dǎo)致火焰發(fā)展的持續(xù)時(shí)間和傳播過程要縮短，為了獲得最佳的CA50階段，IT的氫汽油發(fā)動(dòng)機(jī)必須控制以獲得不同HVF下的最大功率或扭矩。

高壓頻率對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h1>

研究使用氫汽油的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程混合，對火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)行3D場分析，在這項(xiàng)研究中，火焰前沿通過溫度表征等值面，T=1700K，此外，IT是上止點(diǎn)（ATDC）后1°CA，用于不同的HVF，圖6顯示火焰不同曲柄下氣缸中的發(fā)展和分布不同HVF下的角度，在點(diǎn)火的早期階段，火焰中心在火花塞附近迅速形成，火焰中心擴(kuò)散逐漸。

給定流場和分布的影響在未燃燒的混合物中，火焰前沿的形狀是不規(guī)則的在不同的時(shí)間，需要注意的是，火焰?zhèn)鞑サ姆秶?dāng)HVF在相同的曲軸角度增加時(shí)逐漸增加，這意味著HVF的增加會(huì)加速火焰的傳播，火焰?zhèn)鞑ツM結(jié)果表明，氫添加劑可以加速燃燒和熱量釋放，這與中顯示的結(jié)果非常吻合。

結(jié)論

本文中構(gòu)建了3D發(fā)動(dòng)機(jī)模型和燃燒模擬進(jìn)行了氫氣混合對GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的影響燃燒，主要結(jié)論如下：

增加HVF導(dǎo)致峰值氣缸壓力和峰值HRR增加，曲柄角度的峰值更接近TDC，當(dāng)IT發(fā)展時(shí)，峰值壓力和HRR不斷增加，盡管氫汽油之間的差異汽油減少，在較低的HVF下，當(dāng)IT推進(jìn)時(shí)，敲門聲增加，最大KI可以達(dá)到3，0MPa以上。

當(dāng)IT遲到時(shí)，一個(gè)增加HVF從0%增加到10，0%，導(dǎo)致ITE是35°CAATDC，當(dāng)IT太早時(shí)，越大HVF使ITE更低，在固定的HVF下，隨著IT的發(fā)展，ITE先增加后減少。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與氫氣混合時(shí)，活性O(shè)H自由基濃度增加，燃燒過程加速，在固定IT的情況下，點(diǎn)火延遲隨著HVF的增加而降低從0，0到10，0%，隨著IT的進(jìn)步，點(diǎn)火延遲逐漸減少，燃燒持續(xù)時(shí)間也表現(xiàn)出同樣的趨勢。

模擬CH2O、OH、火焰?zhèn)鞑ズ?span id="lheyxbeqpca" class="candidate-entity-word" data-gid="636400">筒體溫度字段顯示自燃的發(fā)生與CH一致2不同IT下的O消耗量和OH產(chǎn)生量，以及曲軸角的自燃發(fā)作也隨著IT的進(jìn)步而發(fā)展。