考虑热扩散不稳定性效应的高性能氢发动机燃烧模型的开发与验证

《Energies》：Development and Validation of a Combustion Model for a High-Performance H2 Engine Considering Thermo-Diffusive Instability Effects

　　

摘要

本研究提出并验证了一种高性能直喷氢气火花点火发动机的预测性0D/1D燃烧模型，该模型通过基于线性火焰稳定性理论推导并结合直接数值模拟（DNS）辅助标度律的物理基础公式，显式引入了热扩散不稳定性（TDI）效应。由详细化学反应动力学获得的层流火焰速度关联式通过不稳定性增长率模型进行增强，并嵌入到基于卷吸的湍流燃烧框架中，同时耦合扩展Zeldovich机理以预测NO_x生成。该模型在转速2000–7500 rpm、最高制动平均有效压力28 bar IMEP-H以及当量空燃比1.2–3.0范围内的实验数据上进行了验证。结果表明，对于精确的超稀薄燃烧预测，考虑不稳定性的建模是必不可少的，因为传统方法会严重低估燃烧速率。在整个工况范围内，燃烧相位预测误差在±3 CAD以内，NO_x预测平均误差为20%，从而实现了对高性能氢燃料发动机的鲁棒系统级仿真与虚拟标定。