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氢气发动机燃烧模拟与控制策略研究


氢气发动机燃烧模拟与控制策略研究
刘福水 教授

北京理工大学机械与车辆工程学院 德国勃兰登堡科技大学
Email: Fushui_liu@bit.edu.cn

内容提要
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背景介绍 FIRE燃烧模拟概述 Validation of TFSC Model 发动机参数优化设计 氢气发动机控制策略及实验验证 结论

背景介绍 该项研究是BMW公司氢气发动机研 发项目的组成部分。主要是利用 CFD技 术进行直喷式氢气发动机缸内喷雾、混 合、点火及燃烧的数值模拟计算,并在 理论分析和实验验证的基础上总结出该 发动机运行的基本特点和规律,最后提 出相应的优化控制策略。

FIRE燃烧模拟概述
对不同燃烧模型的验证(Validation)
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Eddy Breakup Model CFM Model PDF Model

?

TFSC Model
Validation:The process of determining the degree to which a
model is an accurate representation of the real world from the perspective of the intended uses of the model.(AIAA 1998) 验证模型对于所研究的物理现象的适用度

Validation of TFSC Model
用于验证仿真的主要参考实验数据(300K,1Bar)
3.5 3

Laminar flame speed/(m/s)

2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.1 1.0 Hydrogen equivalence ratio 10.0

如图,在氢气的预混合燃烧 中层流燃烧占主导作用。因 此燃烧模型必须能够准确地 模拟氢气的层流燃烧过程。 验证准则:温度、浓度和压 力对层流火焰传播速度的影 响应该和实验或理论分析一 致,而且在一定的时域内受 几何尺寸的影响较小。

常温常压下氢气层流火焰传播速度 随浓度的变化关系

Validation of TFSC Model
几何形状的影响
5 4.5 4 3.5 Flame Speed/s 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.0000 1D 2D 3D

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005 0.0006 Time/s

0.0007

0.0008

0.0009

0.0010

Validation of TFSC Model
燃烧弹(3D)内层流燃烧仿真算例
6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.0000 0.0002 0.0004 time/s 0.0006 0.0008 0.0010

Flame Speed/(m/s)

火焰传播速度

Validation of TFSC Model
湍流的影响
4.0 3.5 3.0 Flame Speed/(m/s) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 Initial Turbulence Kinetic Energy/(m2/s2) Initial Length scale
Flame speed/(m/s) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 Initial Length scale/(m2/s2) Initial TKE: 0.001 m2/s2

Validation of TFSC Model
16 14 SL-300K SL-700K SL-900K SL-500K

Flame Speed/(m/s)

初始温度的影响

12 10 8 6 4 2 0 0.4 0.5

16 14 12 Flame Speed/(m/s) 10 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 Initial Temperature/K SL-H2-ref erence SL-TFSC

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

Hy drogen Equiv alence Ratio

Validation of TFSC Model
Constant Cfp
Flame speed / (m/s) 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 y = 0.66 x - 0.072

5.0 4.5 4.0 flame speed/(m/s) 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0000 0.0002 0.0004 time/s 0.0006 0.0008 0.0010 Cf p-0.8 Cf p-2.5 Cf p-1.5 Cf p-4.0

Constant Cfp

温度为300K时,当量比氢气燃 烧的火焰传播速度为2.17m/s: Cfp=3.4

Validation of TFSC Model
浓度的影响

模型验证小结
?

Magnussen 模型
? ?

?

CFM 模型
?

火焰传播速度主要依赖于湍流 没有温度影响也没有浓度影响 受湍流强度影响很大,不能进行层流燃烧模拟 主要依赖于湍流强度,只能模拟湍流火焰传播 考虑了多种反应物的特性,计算过程相当耗时

?

PDF 模型
? ?

?

TFSC 模型 ? 唯一可用于氢气层流燃烧模拟的模型 ? 正确的温度和几何尺寸效应及合理的速度范围 ? 只是在0.5<α≤1的范围内仿真结果和实验值一致 ? 浓燃(α>1)和稀燃(α≤0.5)的模拟还有待进一步开发

发动机参数优化设计 对以下参数进行优化设计 点火时刻 混合气浓度 EGR控制

计算模型

优化设计——点火时刻
点火时刻、浓度对热效率 和最大爆发压力的影响

优化设计——混合气浓度
120 100
NO emission/(g/kWh)

浓度和NO排放

实验对比

80 60 40 20 0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

Hy drogen equiv alent ratio

浓度和IMEP
8.E+05 7.E+05
Indicated mean effective pressure/pa

6.E+05 5.E+05 4.E+05 3.E+05 2.E+05 1.E+05 0.E+00 0.4 0.6 0.8 1 Hydrogen equivalence ratio 1.2

优化设计—— EGR控制
15

EGR率与NO排放及热效率
60 50 40
Thermal efficiency/%

12
NO emission/(g/kWh)

9 NO-emission Efficiency 30 20 3 10 0 0 2 4 6 8 EGR/% 10 12 14 16

6

0

EGR率与Pmax及IMEP
1.E+07 1.E+06 8.E+05 6.E+05 4.E+05
Pmax
imep

Maximum mean pressure/pa

8.E+06 6.E+06 4.E+06 2.E+06 0.E+00 0 5 10 EGR/% 15 20

2.E+05 0.E+00

indicated mean effective pressure/pa

优化设计的大致结果
?

点火时刻
?

使得在367Deg时燃烧完50% 的混合气 中小负荷时用稀混合气 大负荷时用当量比混合气

?

浓度策略
? ?

?

EGR 控制
在NO排放量和功率两个指标中取折衷 ? 在当量比混合气燃烧时,可用EGR控制负荷 压缩比 ? 在一定的最大爆发压力的限制下,越大越好 初始温度 ? 越低越好
?

?

?

氢气发动机控制策略 以低排放高效率为优化目标
低负荷——节气门控制 负荷,稀薄燃烧 中负荷——节气门全开, 改变空燃比以调节负荷 大负荷——理论空燃比, 用EGR控制负荷,用后处 理来降低NOx排放

实验验证
排放特性 EGR控制策略

实验验证
指示效率 指示效率(EGR)

结论
?

?

性能模拟技术作为实验的外延和补充,可以对 发动机的性能作出较为准确的预测,并指导发 动机的概念设计,在发动机的研发过程中有着 重要的作用和意义 CFD模拟技术的可靠性源自于:
? ? ?

对计算模型的深入理解 针对具体研究对象对计算模型的选择及校核 计算结果的正确理论分析

?

现有的发动机燃烧模型还有相当的局限,有待 于进一步的开发和改进

End
Thank you!


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