摻氫汽油轉子機燃燒機理與排放特性的研究

《摻氫汽油轉子機燃燒機理與排放特性的研究》是依託北京工業大學，由紀常偉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：摻氫汽油轉子機燃燒機理與排放特性的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：紀常偉
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

汽油轉子機體積小、重量輕、結構簡單，但其油耗和排放高，氫氣獨特的物化特性能夠改善汽油在轉子機內的燃燒。研究摻氫汽油燃料在轉子機內的霧化、蒸發、擴散及混合特性，探索摻氫改善汽油轉子機缸內混合氣質量及燃燒和排放的機理。建立摻氫汽油轉子機缸內流動模型，研究摻氫對汽油轉子機缸內混合氣流動及分布規律的影響。耦合摻氫汽油湍流和化學反應動力學模型，進行摻氫汽油轉子機工作過程的數值模擬，定量分析和預測摻氫對汽油轉子機混合氣著火、燃燒和排放物生成的影響規律，揭示氫氣的作用機理。開發摻氫汽油轉子機燃料供給、燃燒和排放測試系統，在穩態和瞬態工況下，通過台架實驗研究摻氫對汽油轉子機稀燃界限、熱效率、循環變動、滯燃期、燃燒持續期、排放等的影響，確定全工況下實現摻氫汽油轉子機高效、穩定、清潔運行的燃料及燃燒控制策略，明確摻氫對汽油轉子機性能的改善程度，獲得摻氫汽油轉子機的燃燒機理和排放特性，為其套用提供基礎數據。

結題摘要

基於一台160cc點燃式轉子發動機，完成了摻氫汽油轉子機電控系統軟、硬體設計、開發及調試，實現了氫氣與汽油的電控獨立噴射，所開發的電控系統能夠對混合氣過量空氣係數、摻氫體積分數及點火提前角進行準確控制；完成了摻氫汽油轉子機的實驗系統搭建，實現了對摻氫汽油轉子機缸壓的採集及基於缸壓數據的放熱過程分析。完成了摻氫分數、點火角、當量比等對汽油轉子機燃燒和排放特性影響的研究，明確了在不同轉速及負荷下實現摻氫汽油轉子機高效、穩定、清潔燃燒的摻氫策略及點火角控制規律。發現摻氫能夠有效縮短汽油轉子機的火焰發展期和快速燃燒持續期，在怠速及部分負荷條件下，摻混3%體積分數的氫氣可以使汽油轉子機的火焰發展期縮短4 oCA以上，快速燃燒持續期縮短2 oCA以上；發現摻氫可以有效減少汽油轉子機的有害排放，HC降低40%以上、CO降低70%以上和CO2排放降低10%以上；雖然NOx排放有一定增加，但可以採用稀燃控制策略來抑制；在保證循環變動及有效熱效率與原機相當的條件下，發現摻入6%體積分數的氫氣即可將汽油在轉子機內的稀燃極限對應的過量空氣係數拓展到1.45。此外，構建了摻氫汽油轉子機的CFD模型，揭示了轉子機缸內流場特性，發現在壓縮終了時刻轉子機缸內會形成與轉子運動方向一致的主流流場；在主流流場的影響下，與主流同向的火焰傳播被促進，反向火焰則被抑制，並導致在排氣門開啟時刻，燃燒室尾端依然存在一定量的未燃混合氣；提出了採用缸內氫氣直噴改善摻氫汽油轉子機缸內混合氣濃度分布的控制方法，發現採用該策略可以使適當濃度的氫氣分布在火花塞及燃燒室尾端區域，進而保證火焰可以快速傳播到整個燃燒室，解決了尾端未燃混合氣的問題；就直噴摻氫汽油轉子機的結構對混合氣燃燒特性的影響規律開展了詳細研究，並針對氫氣噴嘴的布置方式和噴射規律進行了最佳化，發現氫氣噴射位置在火花塞與進氣口之間，距離轉子長軸50 mm的位置，且噴射時刻設為110 oCA BTDC，噴射脈寬為40 oCA，可以獲得最佳的燃燒及排放效果。