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重型车辆专用氢能发动机新进展

2024-08-07 08:27:46·  来源：阿尔特汽车  
　

欧盟重型车辆法规规定，到2030年碳排放量要减少43%，到2035年欧盟的碳减排任务将攀升至64%，到2040年将飙升至90%。IFPEnergies novellas(IFPEN)是一家总部位于法国吕埃尔-马尔迈松镇（Rueil-Malmaison）的公共研究与创新机构，其CFD工程师VincentGiuffrida表示：“氢内燃机在减少二氧化碳排放方面可以发挥积极作用。”


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Giuffrida和IFPEN的同事兼研究工程师Olivier Colin是七月份“重型机械专用氢气燃烧系统开发”网络研讨会的主讲人，网络研讨会由总部位于威斯康星州麦迪逊市的ConvergentScience公司主办。该公司的ConVERGE CFD软件可模拟三维流体流动，其功能包括自主网格划分、几何形状的复杂移动、详尽的化学动力学求解器、先进的物理模型、共轭传热模型、FSI流体结构相互作用（包括刚性和非刚性体FSI）以及用于模拟多相流的流体体积(VOF)工具。


ConVERGE CFD工具在开发、模拟和优化IFPEN重型氢气燃烧发动机实验中发挥了重要作用。同时，与 IFPEN合作开发的特定软件模型被用于模拟氢气发动机的燃烧，并进行了相关实验测试。这些工具包括用于点火的ISSIM（强力拉伸火花点火模型）、用于自动点火和爆震预测的TKI（表列动能点火）以及用于预混火焰的ECFM（拟序燃烧模型）。


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根据IFPEN的科林研究，对于Le>1和Le<1混合物（Le代表路易斯数），新的湍流伸展模型LPF（低通滤波器）与DNS（直接数值模拟）结果显示出很好的一致性，无论是在小火焰还是在增厚反应区（TRZ）状态下。此外CONVERGE还具有ECFM的多燃料功能，因此可以使用该模型模拟氢气或氨气。


使用ConVERGE CFD软件进行的设计和优化过程表明，要实现更好的氢气/空气气态混合，需要较高的湍流水平，而这可以通过翻滚空气动力运动方法来实现。据专家介绍，CFD模拟还表明氢气喷射器的定义（位置和目标）是“实现氢气/空气混合和发动机性能进一步改进的首要条件”。


IFPEN的发动机研究团队率先开发了自主设计的发动机试验台：排量为2.1升的单缸直喷发动机，最大喷射压力为40巴（580磅/平方英寸），IFPEN制造试验发动机的合作伙伴有TennecoPowertrain（火花塞供应商）、Phinia（氢气喷射器供应商）和 Danielson Engineering（氢气燃烧发动机制造商）等。


Giuffrida说：“最终我们有可能根据提出的CFD设计实现完整的发动机图谱。”他指出，CFD预测的指示效率为47%，并在2.1升氢发动机试验台上得到了实验证实，空燃比在1.8至3之间时，最高效率可达48%。


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氢气发动机的三维燃烧建模仍然是工程师面临的挑战，例如：由于氢的涡流和扩散等特殊性质，因此氢直接喷射时燃烧室中出现的超音速氢气射流很难建模，CFD团队还注意到，RANS（雷诺平均N-S方程）和LES（大涡模拟）湍流建模方法的氢气/空气混合功能存在显著差异。


氢气内燃机面临的另一个软件建模挑战与壁面传热有关，特别是考虑到氢气与其他传统燃料（如汽油和甲烷）之间固有的物理性质差异，比如淬火距离等。因此还需要开展更多的研究工作，以确定预点火和爆震的原因，从而在建模过程中解决这些不必要的现象。


Giuffrida表示，IFPEN正在通过持续的研究应对与氢内燃机有关的各种挑战。IFPEN的工程师和研究人员还与Convergent Science合作，通过不同的研究计划（包括侧重于先进实验工具的项目）来改进氢燃烧的CFD建模。

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