随着经济的全球化发展，国际社会对能源安全、气候变化和生态环境保护的认识和关注日益增强。加快能源转型，充分发挥可再生能源的替代作用已成为世界各国的共识[1]。氢气作为零碳燃料是减少温室气体排放和实现碳中和的优秀替代燃料。氢气具有淬火距离短、火焰传播快、绝热火焰温度高、可燃极限宽等优点[2]。许多企业和学者对氢发动机进行了大量研究。福特汽车公司设计了北美第一辆商用氢燃料发动机汽车，其性能可与压缩天然气发动机相媲美[3]。宝马公司通过对涡轮增压氢发动机的研究中发现，在节气门全开条件下发动机的指示平均有效压力超过1.8 MPa[4]。Lu等人[5] 发现，氢发动机燃烧过程中温度升高会导致氮氧化物（NOx）排放增加，对人类健康和环境产生危害。Du等人[6] 发现，氢发动机可以在超稀薄燃烧条件下减少氮氧化物排放和燃料消耗。然而，也会导燃烧持续期延长、燃烧不稳定性增加、动力性能下降等问题。

预燃室射流点火具有加快火焰传播速度和多点点火的特性，可以有效提高点火效率并增强燃烧稳定性。湍流射流点火（TJI）首先点燃预燃室内的混合物，形成的高速喷射火焰通过喷嘴孔进入主燃室，这不仅增加了点火面积，还提高了燃烧速度。根据是否向预燃室中额外添加燃料预燃室可分为主动预燃室和被动预燃室。被动预燃室中没有添加额外的燃料，活塞在向上移动时将可燃混合物压入预燃室中，但是无法单独改变预燃室内的混合物浓度。主动预燃室可以通过安装在预燃室中的喷射器喷射燃料，从而控制预燃室中的混合物浓度[7]。这种新型点火系统引起了众多企业和学者的研究兴趣。马勒公司通过实验证明了TJI作为超稀薄燃烧点火技术的潜力，这可以显著提高热效率并减少氮氧化物排放[8]。IAV公司进行的研究表明，使用主动预燃室点火系统可以使发动机油耗降低8%[9]。本田汽车公司采用了主动预燃室点火技术，BTE可以达到47.2%[10]。刘等人[11]将氢预燃室射流点火在重型发动机中展开应用，作为实现高效清洁燃烧的途径。他们成功地实现了稳定的燃烧，并通过优化预燃室的几何形状实现了显著的高发动机效率并且在超稀薄燃烧条件下低氮氧化物的排放。主动式预燃室在燃烧控制、燃烧极限和排放方面具有更多优势。然而，仍有一些挑战需要解决，包括较的高制造成本、复杂的工艺和苛刻的可靠性要求[12]。因此被动预燃室被证明是一种具有应用前景的点火方案，不仅克服了工艺成本上的限制，而且改善发动机的经济性。

综上所述，可以发现预燃室射流点火是提高发动机性能的有效手段。尽管一些工作已经对TJI汽油、天然气燃料和氢混合燃料发动机燃烧特性展开研究。但是对使用被动预燃室的纯氢发动机的燃烧性能的研究有限。本研究对配备被动预燃室的氢燃料发动机在不同过量空气系数条件下的性能进行数值研究。基于CONVERGE仿真软件结合物理模型建立了氢发动机三维仿真计算模型，深入分析了不同过量空气系数下TJI氢发动机的流动、燃烧以及排放等参数。通过本研究为被动预燃室在氢发动机上的应用提供参考，为氢发动机的性能提升和应用推广提供了强有力的支持，有助于促进更环保、更高效的交通方式的发展。

研究对象为装备预燃室结构的四缸四冲程水冷氢发动机。具体结构参数如表1所示。为了实现大于压缩比的膨胀比，该发动机采用米勒循环，进气凸轮包角为153°CA，排气凸轮包角为183°CA。实验装置包括一个独立的氢气供应系统，安装在气缸内的氢气喷嘴可以实现气缸内氢气的直接喷射技术。在线控制计算机系统可以调节发动机点火时刻、节气门开度、喷射脉冲宽度和喷射正时等参数。

表1 发动机规格参数

数值模型和实验装置之间的一致性是确保模拟计算准确性的先决条件。通过扫描实体发动机并利用CONVERGE软件的网格自适应功能来细化不同流场和温度场的网格，获得了发动机的三维模型，如图1所示。CONVERGE仿真软件生成的精细网格具有出色的收敛性，并保证了模型的精确尺寸[13]。其自适应网格细化（AMR）和处理移动边界问题的高度自适应网格功能有效地减少了数值模拟中的误差。

图 1 发动机三维模型图

网格的不同尺寸对计算结果有直接影响。小尺寸网格可以有效地捕捉气缸中的流动和燃烧过程，从而提高模拟计算的精度，同时也会导致计算时间的显著增加。随着网格尺寸的增加，计算时间减少，但计算精度降低[14]。因此，验证网格的独立性对于保持计算精确度和改善计算效率具有重要的影响。本文选择1mm、2mm和3mm的网格尺寸作为基本网格，比较气缸中的压力变化曲线，并使用CONVERGE软件独有的AMR技术参与验证。不同网格对气缸压力的影响如图2所示。2mm/3mm网格尺寸与1mm耦合AMR技术结果之间存在显著差异，而1mm网格、2mm AMR结果与1mm AMR气缸压力结果一致。因此，在保证计算精度的同时，节约计算成本选择具有AMR的2mm网格作为网格计算尺寸。为了验证发动机三维模型的准确性，本研究对发动机试验和模拟的缸内压力和放热率曲线进行了标定。仿真模型标定与实验运行的条件相同。通过验证发现实验结果与模拟值非常接近，模型最大差异保持在3%以下。由于缸内燃烧过程复杂多变，在实验过程中也受到环境因素的影响。因此，三维模拟无法完全模拟缸内燃烧过程，图中所示的偏差被认为是可以接受的。

图2 网格无关性以及模型缸压和放热率验证

为了探索λ对PC内流场运动、混合物分布和火焰传播的影响，选择λ为1.2、1.6和2.2作为不同过量空气系数的探究目标参数。

图3（a）显示了不同λ条件下氢气分布随曲轴转角的变化趋势。当λ为1.2和1.6时，氢气在120°CA BTDC以一定的速度进入主燃室内，一些氢气随着气缸流场的运动进入预燃室，从而增加了预燃室中的氢气浓度。然而，当λ为2.2时进入预燃室的氢气质量大幅度降低，是由流场强度和氢气浓度分布共同形成。随着活塞向上移动，主燃室中形成逆时针旋转流场。这种涡流有助于更好地形成均匀混合气，提高燃烧效率，确保更均匀的燃，从而减少废气排放并提高燃油经济性。此外，它有助于实现气缸内更均匀的温度分布，从而减少热应力和热点的形成，延长发动机的使用寿命[15]。然而，随着λ的增加旋转流场的强度逐渐降低。此外，随着流场的移动，一些空气重新进入预燃室，降低了预燃室混合物的浓度。尽管在λ为1.6时一些空气重新进入预燃室，但较高的混合物浓度和流场强度减轻了其对预燃室内混合物浓度的影响。研究发现不同的λ条件可以通过改变主燃室内的流场和混合物浓度来改变预燃室内的混合物分布，从而影响点火性能。

图3 (b) 所示的λ分布和趋势证实了上述发现。当λ为1.2和1.6条件下氢气以较高速度进入主燃室时，预燃室底部孔口周围的混合浓度增加。氢气以逆时针方向逐渐接近预燃室，在预燃室中形成浓度分层分布模式，预燃室上部浓度相比于底部浓度较低，如黑框所示。涡流中心存在一个高浓度区。随着流场的移动，一些浓度相对较低的混合物重新进入预燃室，稀释混合物并增加λ。然而，与λ为2.2的条件相比，λ为1.2和1.6的条件下更高的流场和混合气强度抵消了空气对预燃室内混合气的稀释作用。虽然火花塞上部有一个相对较低的浓度区，但预燃室中整体较高的浓度对点火有积极影响，没有明显的浓度分层。

通过结合两个腔室之间的压力差值和混合物质量的变化，探索主燃室和预燃室之间混合物质量的交换过程，如图4所示。压力差值是确保主燃室和预燃室之间物质交换的必要条件。压力差值随着混合物浓度的增加而逐渐增加，可以促进射流火焰和热自由基高速进入主燃室。λ为1.2和1.6的压力差值峰值相比于λ为2.2压差峰值分别高出7倍和5倍。峰值变化发生在较短的时间内。一个有趣的观察结果是，当浓度较高时，压力差值会有小的持续波动。该过程表明，主燃室和预燃室之间的混合物交换是连续的。预燃室中的混合气变化呈“M”形，分为四个阶段：自然压缩、预燃室燃烧膨胀、主燃室燃烧膨胀和自然膨胀。然而，对于从预燃室进入主燃室的富混合物，混合物质量显著降低，混合物的交换时间缩短。这表明，浓混合气可以减少冷射流的混合物质量，使预燃室中的更多混合气达到点火性能。高浓度混合气在预燃室中的均匀分布实现了快速燃烧，形成了压力较低的区域。主燃室中混合气的燃烧导致喷嘴附近的混合物重新进入预燃室。这一过程导致预燃室中形成第二个峰值压力[16]。由于活塞的压力下降速度明显高于预燃室内部压力下降速度，导致预燃室内的混合气再次流出。在稀薄燃烧中，由于喷嘴节流效应的显著影响，“M”形更为明显。

由于不同λ条件下的点火时刻不同，为了研究点火时刻后火焰传播对发动机的影响，将点火之后的曲轴角度称为A-ST°CA。图5描绘了不同λ条件下预燃室内火焰和速度场的发展趋势。对于浓混合气体积较大的火焰内核在预燃室内形成并迅速进入主燃室。由于火花塞形状的影响，火焰不会完全呈球形发展如黑圈所示。随着火焰的发展，喷嘴处形成明显的压差，迫使火焰和高能产物迅速进入主燃室内以实现点火。此外，在喉管低部形成顺时针向下的速度涡流场，这有利于来自预燃室的混合气进入主燃室。当主燃室混合物被点燃时迫使喷嘴附近的混合物重新进入预燃室，这与图4中描述的结果一致。此外，在预燃室中形成顺时针向上的涡流场，导致一些混合物占据预燃室的上部。这不利于混合气在下一个循环中预燃室内的均匀分布。一个有趣的现象是不同喷嘴之间的速度变化，导致每个孔口的火焰存在差异。这受到流场和混合气分布的影响。随着主燃室中压力的降低，预燃室中的混合物重新进入主燃室。相比于预燃室中较浓的混合气分布条件，在稀薄燃烧条件下火焰的发展周期增加。

预燃室燃烧产生的压力差值不仅将火焰高速射入，还将一些氧化的高能产物作为点火源注入MC。*OH的分布和浓度表征了不同λ条件下活性自由基对混合物燃烧的影响。从图5可以看出，更高、更均匀的混合气浓度可以促进*OH在预燃室中的快速扩散，并在更短的时间内快速进入主燃室。高浓度的*OH可以扩散到预燃室的上部，减少其中未燃烧的混合物的质量。对于稀薄燃烧（λ为2.2），*OH在预燃室中的扩散时间较长，浓度相对较低，只有一小部分高浓度*OH存在于预燃室的上部。这种差异主要取决于混合气分布的变化。然而，可以观察到一个有趣的现象：不同的孔口受到流场和混合物分布的影响，导致*OH浓度的变化存在差异性，进气侧的OH浓度明显高于排气侧。这是因为在压缩过程中，氢气随着涡流逆时针移动，在进气侧形成浓度相对较高的混合物为*OH的发展创造了有利条件。这一现象表明，调整流场分布改变混合气分布特性是一种实现TJI发动机中均匀的火焰传播可行的方式。

尽管氢气作为燃料在燃烧过程中不会产生二氧化碳等碳排放，但从环境影响的角度来看，产生的氮氧化物的对环境和人体健康的影响不容忽视。温度是影响热力型氮氧化物生成的关键因素之一。温度的升高加速了反应速率，导致热氮氧化物的产生增加。氧气浓度的增加促进了更完全的燃烧，导致热氮氧化物的增加。气体在高温下的停留时间会影响反应的平衡和产物的产生，从而显著影响氮氧化物的排放[17]。

采用模拟来揭示缸内温度场的分布，如图6(a)所示。随着λ的增加，燃烧室中的温度逐渐降低。受提前点火流场和混合气分布的影响，进气侧的温度相对于排气侧更高。当λ为1.2时，高温区域逐渐接近气缸壁，导致热损失增加，从而降低发动机效率，降低功率输出，并可能导致发动机过热问题。然而，稀薄燃烧增加了火焰的淬火距离，从而通过减少火焰前缘和气缸壁之间的接触来减少热损失。但是相比于火花点火发动机射流点火在稀薄燃烧的条件下可以大幅度降低燃烧持续期从而降低尾气能量的损失[18]。因此，稀薄燃烧方法是TJI氢发动机的可行选择。

本文通过数值研究了NO的分布范围，等温线超过1800K时用黑线表示，如图6(b)所示。由于滚流的影响，进气侧的高浓度均匀混合空气有助于火焰的发展和传播。因此，进气侧的温度高于排气侧。温度是影响氮氧化物排放的关键因素，因此进气侧的氮氧化物浓度和分布范围远高于排气侧。随着燃烧的进行，NO的分布范围逐渐增大，并迅速填充整个主燃室。在λ为1.4时，由于受到流场的影响主燃室的NO分布不均匀，存在浓度较高的区域。随着燃烧的进行，NO逐渐向排气侧延伸，但浓度较低。在气缸壁附近，由于淬火效应，燃烧温度相对较低，不利于NO的产生[19]。因此，气缸壁附近存在NO浓度低的区域。等温线区域和侧面的NO生成区之间的一致性证实了温度在NO排放中的关键作用。λ为2.2时，NO排放量显著减少，表明TJI氢发动机的稀薄燃烧不仅确保了燃烧稳定性，更重要的是实现了低NO排放。在稀薄燃烧条件下，氢气作为零碳燃料的应用前景广阔。

本文通过数值模拟，研究了TJI氢发动机在不同λ条件下的流动、燃烧和排放。使用上述研究方法获得了令人满意的结果。上一节对结果进行了分析和讨论，主要结论如下：

1.随着λ的增加，主燃室中逆时针旋流的强度逐渐降低。受主燃室内流场和混合物浓度的影响，预燃室内的混合物浓度从下到上逐渐降低，形成预燃室内混合物的分层现象。这种分层现象随着λ的增加而变得更加明显。主燃室和预燃室之间的压力差值随着λ的增加而逐渐减小。受喷嘴节流效应的影响，预燃室中的内部混合物呈“M”形趋势。

2.受到火花塞形状的影响，预燃室内部火焰不会完全呈球形发展。此外，在喉部形成顺时针向下的速度涡流场，这有利于来自预燃室的混合气进入主燃室。当主燃室混合气被点燃时主燃室较高的压力迫使喷嘴附近的混合气重新进入预燃室。此外，不同喷嘴之间的速度变化，导致每个孔口的火焰存在差异。在稀薄条件下TJI氢发动机燃烧持续期增加但是低于火花点火发动机。

3.进气侧的温度流场和混合气分布的影响相对于排气侧更高。当λ为1.2时，高温区域逐渐接近气缸壁，导致热损失增加，从而降低发动机效率和功率输出，并可能导致发动机过热问题。然而，稀薄燃烧增加了火焰的淬火距离，从而通过减少火焰前缘和气缸壁之间的接触来减少热损失。λ为2.2时，NO排放量显著减少，表明TJI氢发动机的稀薄燃烧不仅确保了燃烧稳定性，更重要的是实现了低NO排放。