汽油混氢内燃机的燃烧机理和排放特性研究

研究进气道喷氢对汽油雾化和蒸发的影响，探索氢气改善汽油雾化与燃烧的机理。采用汽油替代燃料机理，构建汽油混氢一维自由传播层流燃烧反应模型，通过数值模拟，研究加氢对汽油火焰温度、层流火焰速度、颗粒及醛类排放产物的影响。在内燃机稳态和瞬态工况下，研究加氢对汽油机稀燃界限、热效率、循环变动、滞燃期、燃烧持续期、排放等的影响，分析加氢对汽油机燃烧和排放的影响规律，确定加氢对汽油机性能的改善程度。基于颗粒分析仪和气相色谱，研究加氢对汽油机颗粒和醛类排放的影响，为火花点火发动机颗粒和醛类排放控制提供依据；基于FIRE和氢气/汽油详细反应动力学机理进行混氢汽油机工作过程仿真，定量分析和预测加氢对汽油机缸内流动、燃烧和排放的影响，进一步揭示氢气的作用机理。氢气是可再生的清洁内燃机替代燃料，其独特的物化特性能够改善化石燃料的燃烧，本研究将探索汽油混氢内燃机的燃烧机理和排放特性，为其应用提供基础数据。

氢气是点燃式内燃机最为理想的代用燃料之一，然而纯氢内燃机往往容易出现早燃、功率下降及NOx排放升高等问题。相比之下，向内燃机进气中掺入少量氢气，通过改变氢气和传统化石燃料的比例来适应内燃机不同工况对燃料的需求则可以在一定程度上解决纯氢及传统燃料内燃机所存在的燃料单一与内燃机工况复杂、多变之间的矛盾。本项目过理论分析和试验研究两种方法对掺氢汽油机在不同工况下的燃烧与排放特性进行了研究。. 在Chemkin软件中构建并标定了掺氢燃料预混火焰计算模型，揭示了掺氢汽油燃料燃烧过程中组分浓度的变化规律，并发现进气掺氢能够有效提高燃料燃烧时的火焰速度，并促进O、H及OH的生成。在AVL Fire & Boost软件中完成了掺氢汽油机一维及三维燃烧模型的搭建及验证，基于模型揭示了掺氢对缸内燃料湍流火焰速度及火焰面密度等燃烧参数的影响。. 在掺氢内燃机台架上研究了不同工况下掺氢汽油机燃烧与排放特性的影响因素。发现采用掺氢方式启动内燃机可以有效减少冷起动时的CO及HC排放。在内燃机怠速及部分负荷条件下，进气掺氢均有利于提高内燃机热效率、缩短燃烧持续期并降低循环变动。研究了过量空气系数、点火角、内燃机负荷及停缸对掺氢内燃机性能的影响。发现适当提高混合气过量空气系数有利于提高掺氢内燃机的热效率并减少HC、CO及NOx排放。发现怠速时进气掺氢并结合停缸可以使内燃机获得最佳的怠速经济性。通过试验揭示了进气掺氢对改善化石燃料内燃机燃烧与排放特性的效果在小负荷及稀燃条件下更为明显。此外，发现掺入标准氢氧气较纯氢气更有利于提高内燃机热效率并减少HC及CO排放。提高氢氧气中氢气所占的体积分数有利于控制内燃机颗粒物排放。进气掺氢亦有利于减少乙醇内燃机所产生的乙醛排放。根据理论分析及试验结果，提出了掺氢内燃机的“燃料与工况协同控制策略”。. 在底盘测功机上根据轻型轿车排放试验方法对搭载了掺氢汽油机和车载制氢机的试验车进行了整车排放性能研究。结果表明，采用“燃料与工况协同控制策略”，根据内燃机工况实时控制进气氢气及汽油的喷射比例，可以使整车排放水平可以由原车的满足“欧II”排放法规提高至满足“欧IV”排放法规要求。