用于椭圆转子发动机增程系统中的爆震抑制与燃烧优化氢直接喷射技术

《Energy》：Hydrogen direct injection for knock suppression and combustion optimization in elliptical rotary engines for range-extender

　　刘龙|邵欣|焦慧超|沈宇豪|吴凡|严国浩|刘彦航|王怀宇|刘代哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，中国哈尔滨150001

摘要
氢气直喷技术能够有效控制燃油-空气混合气的分布，从而优化椭圆形旋转发动机的燃烧性能和排放水平。本文研究了燃烧室结构及氢气喷射角度对流体流动、燃烧过程及排放物的影响。研究结果表明，在两种偏置燃烧室结构下，0°的喷射角度可避免燃油过度积聚，实现更好的燃油-空气混合。而中央式燃烧室结构则易导致燃烧不充分和爆震现象。总体而言，使燃烧室偏置方向与转子旋转方向一致，可显著改善缸内流体流动特性。在此条件下，结合0°喷射角度可实现氢气-空气混合气的最佳分布，进而确保完全燃烧并抑制爆震倾向。此时，指示热效率可达31.08%，指示平均有效压力为0.54 MPa，NOx排放量控制在6.24 g/(kW·h)。本研究为燃烧室设计及喷射策略优化提供了理论依据，对降低碳排放具有重要意义。

引言
随着低空经济的快速发展以及无人机技术的进步，小型无人机在气象观测[1]、消防[2]、测绘[3]和交通运输[4]等领域得到了广泛应用。电动推进系统具有噪音低、排放少且可靠性高的优点，已成为小型无人飞行器的主流动力来源。然而，由于电池能量密度低、充电时间长的问题，其在需要长距离作业和持续工作的场景中的应用仍受到很大限制。对于上述小型动力系统而言，采用增程式或混合动力方案可有效弥补纯电系统的不足；但这同时也对发动机的功率重量比及集成度提出了更高要求。三角形旋转发动机具有功率密度高、结构简单、运行平稳且重量轻等优点[5]、[6]，已被广泛用于增程式及混合动力车辆中。Zambalov等人[7]指出，基于三角形旋转发动机的增程器是一种极具前景的解决方案。Varnhagen等人[8]利用高级车辆模拟器对不同发动机配置和电池容量的插电式混合动力汽车进行了建模，结果显示，采用三角形旋转发动机的增程系统比其他发动机消耗更少的能量，产生的温室气体排放也更少。然而，随着污染控制法规日益严格以及低碳目标的提出，传统化石燃料已无法满足无人机推进系统对清洁能源的需求。因此，使用替代燃料已成为解决传统旋转发动机排放问题的关键技术，其中氨气和氢气燃料备受关注。虽然氨气在储存和运输方面具有优势，但其在实际应用中却因点火困难[9]、[10]以及需要额外添加引燃燃料而增加了系统复杂性。相比之下，氢气燃料具有燃烧范围广、可直接与空气混合并点燃的优点。同时，氢气燃料还能解决旋转发动机中存在的燃烧死区和热效率低的问题，因此在小型无人机推进系统中具有明显优势。

与氢气三角形旋转发动机相比，氢气椭圆形旋转发动机具有更广阔的应用前景。该发动机采用了与三角形旋转发动机相反的几何结构，并结合了高效混合循环机制，这一设计既解决了三角形旋转发动机存在的润滑和密封问题，又保留了其优点，同时还具备了更高的功率密度。Zou等人[11]通过数值模拟研究了不同发动机转速下汽油驱动的椭圆形旋转发动机的燃烧特性，他们的研究表明，发动机在高速运转时的燃烧效率较高，但仍然低于90%。这是因为椭圆形旋转发动机两侧燃烧室的表面积与体积比过高，容易导致汽油熄火，从而使燃烧效率下降。而氢气的熄火距离极短，这使得火焰能更轻易地扩散到椭圆形旋转发动机狭窄燃烧室的两侧，从而改善其燃烧特性。Yang等人[12]研究了在高海拔条件下，向汽油中混入氢气对椭圆形旋转发动机功率和排放性能的影响，研究发现，混入氢气可提高火焰传播速度，从而弥补高海拔带来的功率损失。与含氢汽油相比，纯氢燃料的燃烧更为清洁，且功率性能更优。Meng等人[13]通过实验表明，氢气三角形旋转发动机比氢气往复式发动机具有更大的功率潜力。Ji等人[14]研究了直喷氢气椭圆形旋转发动机的性能，发现在优化点火正时后的贫燃条件下，其指示热效率可达36.4%。

对于氢气发动机而言，常用的燃料供给方式有进气口燃料喷射[15]、[16]和氢气直喷[17]、[18]。与进气口燃料喷射相比，氢气直喷系统能有效防止回火和早燃等异常燃烧现象。对于椭圆形旋转发动机而言，其燃烧室两侧存在表面积与体积比很高的狭长缝隙结构，这会大幅增加热量传递损失，阻碍火焰发展，从而形成未燃烧区域[19]。因此，当椭圆形旋转发动机采用进气口燃料喷射模式时，部分燃料会分布在这些缝隙中，不利于完全燃烧。而采用氢气直喷模式，则可以控制燃料的分布，避免燃料在缝隙中积聚，从而获得更好的燃烧效果。优化燃烧室设计可以控制燃烧室内的流场分布，促进燃油分层，这是实现良好燃油分布的有效方法。Wang等人[20]通过数值模拟研究了在贫燃条件下，氢气往复式发动机燃烧室几何结构对混合气形成的影响，他们发现燃烧室几何结构通过引导氢气喷射流并调控缸内流场，对混合气分层起着决定性作用。Bao等人[21]优化了汽油-氢气混合物中三角形旋转发动机的凹腔位置，发现前置凹腔设计能显著减少未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳含量，从而有效提升发动机的指示热效率。Shi等人[22]研究了燃烧室凹腔结构对氢气-氨气三角形旋转发动机燃烧过程的综合影响，他们的研究发现，调整凹腔大小会显著影响进气冲程期间缸内的湍流动能；随着凹腔宽度减小，火焰更容易向燃烧室后方扩散，为解决燃烧死区问题提供了新思路。Deng等人[15]通过数值模拟研究了燃烧室几何结构及进气阀关闭时机对发动机性能的影响，他们的研究表明，优化后的半球形燃烧室结合合适的进气阀关闭时机，可显著提升发动机热效率，并大幅降低NOx排放量。上述研究表明，优化燃烧室尤其是其几何结构，能够有效改善缸内的燃油分布和气流情况，进而显著提升发动机的燃烧性能和排放控制水平。

氢气喷射策略也是影响缸内燃油流动和燃烧特性的重要因素。Chen等人[23]发现，在往复式发动机中，影响混合气形成的主要是氢气喷射角度而非喷射位置。Zhang等人[24]为氢气-甲烷双燃料直喷三角形旋转发动机建立了仿真模型，研究了氢气喷射角度对发动机性能的影响，研究表明垂直喷射角度可增强局部湍流。Chen等人[25]研究了喷射角度和喷射时机共同对直喷氢气-氨气三角形旋转发动机的影响，他们发现较大的喷射角度会导致燃油因涡流效应而向前聚集，这会显著影响该发动机的燃烧和排放特性。Gao等人[26]研究了氢气喷射位置对配备偏置燃烧室的氢气混合型椭圆形旋转发动机燃烧和排放特性的影响，他们的研究发现，与主流气流方向一致的喷射位置最有利于燃烧，但这也会导致更高的污染物排放。不过，目前的研究几乎都集中在氢气直喷三角形旋转发动机和氢气混合型直喷椭圆形旋转发动机上，而关于纯氢气直喷椭圆形旋转发动机的研究相对较少，尤其是在喷射策略方面。尽管Deng等人[27]利用仿真方法研究了在富氧工况下不同喷射脉冲宽度对氢气椭圆形旋转发动机燃烧特性的影响，但他们的研究仅针对大排量椭圆形旋转发动机（单缸排量：250 cm3），并未研究小型氢气椭圆形旋转发动机（XMv3[28]，单缸排量：23 cm3）的燃烧特性，而且也没有探讨燃烧室几何结构与喷射策略共同对缸内流动和燃烧特性的影响。

综上所述，目前关于在椭圆形旋转发动机中应用直喷策略及优化燃烧室结构以服务于实际应用的详细对比研究和理论指导还相当缺乏。因此，本文基于真实的实验数据，建立了氢气椭圆形旋转发动机的三维计算流体动力学模型，利用该模型系统研究了燃烧室几何偏置（相反、居中以及与转子运动方向一致）和氢气喷射角度（-40°、-20°、0°、20°和40°）对椭圆形旋转发动机流体流动、燃烧及排放特性的综合影响。这些仿真结果可用于评估氢气椭圆形旋转发动机的整体性能并优化其设计，从而为该发动机在实际应用中的推广提供理论依据和数据支持。

章节节选
几何模型
椭圆形旋转发动机与传统的三角形旋转发动机具有相似的几何结构，但也存在一些差异：三角形旋转发动机具有三角形转子和椭圆形气缸，而椭圆形旋转发动机则完全相反，如图1所示。不过，两者的工作原理也存在一定差别。首先，与三角形旋转发动机燃烧室中的凹腔不同，椭圆形旋转发动机具有半球形燃烧室结构，这有助于实现可调节的压缩比，进而带来更多优势。

燃烧室对流场特性的影响
湍流动能是衡量缸内湍流强度的关键指标。图8展示了不同燃烧室结构在进气过程中的湍流动能变化情况。随着空气的进入，缸内的湍流动能先升至峰值，随后逐渐下降。在进气初期（浅灰色虚线之前），湍流动能呈逐渐上升趋势，且大部分时间都处于较高水平。

结论
本研究旨在探究燃烧室结构及氢气喷射角度对氢气椭圆形旋转发动机流体流动、燃油分布、燃烧过程及排放特性的综合影响。为此，本研究建立了三维仿真模型，对相关内容进行了详细分析，最终确定了适用于实际增程系统应用的最佳方案。本研究的具体结论如下：
1. 在三种燃烧室结构中……

作者贡献说明
刘彦航：论文撰写——初稿撰写、可视化处理。刘代：监督指导、正式分析。刘龙：监督指导、软件应用、资源协调、资金筹集、概念构思。王怀宇：论文撰写——审稿与编辑、验证分析、正式分析、概念构思。沈宇豪：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、软件应用、实验研究。吴凡：软件应用、项目管理工作。邵欣：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、方法论研究。焦慧超：验证分析、资源协调、正式分析……

未引用参考文献[41]

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了黑龙江省重点研发计划（项目编号2024ZX03B08）、国家自然科学基金（项目编号52501384）以及中央高校基本科研业务费（项目编号3072026GH0303）的支持。