汽油混氫內燃機的燃燒機理和排放特性研究

《汽油混氫內燃機的燃燒機理和排放特性研究》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：汽油混氫內燃機的燃燒機理和排放特性研究
• 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

研究進氣道噴氫對汽油霧化和蒸發的影響，探索氫氣改善汽油霧化與燃燒的機理。採用汽油替代燃料機理，構建汽油混氫一維自由傳播層流燃燒反應模型，通過數值模擬，研究加氫對汽油火焰溫度、層流火焰速度、顆粒及醛類排放產物的影響。在內燃機穩態和瞬態工況下，研究加氫對汽油機稀燃界限、熱效率、循環變動、滯燃期、燃燒持續期、排放等的影響，分析加氫對汽油機燃燒和排放的影響規律，確定加氫對汽油機性能的改善程度。基於顆粒分析儀和氣相色譜，研究加氫對汽油機顆粒和醛類排放的影響，為火花點火發動機顆粒和醛類排放控制提供依據；基於FIRE和氫氣/汽油詳細反應動力學機理進行混氫汽油機工作過程仿真，定量分析和預測加氫對汽油機缸內流動、燃燒和排放的影響，進一步揭示氫氣的作用機理。氫氣是可再生的清潔內燃機替代燃料，其獨特的物化特性能夠改善化石燃料的燃燒，本研究將探索汽油混氫內燃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

氫氣是點燃式內燃機最為理想的代用燃料之一，然而純氫內燃機往往容易出現早燃、功率下降及NOx排放升高等問題。相比之下，向內燃機進氣中摻入少量氫氣，通過改變氫氣和傳統化石燃料的比例來適應內燃機不同工況對燃料的需求則可以在一定程度上解決純氫及傳統燃料內燃機所存在的燃料單一與內燃機工況複雜、多變之間的矛盾。本項目過理論分析和試驗研究兩種方法對摻氫汽油機在不同工況下的燃燒與排放特性進行了研究。在Chemkin軟體中構建並標定了摻氫燃料預混火焰計算模型，揭示了摻氫汽油燃料燃燒過程中組分濃度的變化規律，並發現進氣摻氫能夠有效提高燃料燃燒時的火焰速度，並促進O、H及OH的生成。在AVL Fire & Boost軟體中完成了摻氫汽油機一維及三維燃燒模型的搭建及驗證，基於模型揭示了摻氫對缸內燃料湍流火焰速度及火焰面密度等燃燒參數的影響。在摻氫內燃機台架上研究了不同工況下摻氫汽油機燃燒與排放特性的影響因素。發現採用摻氫方式啟動內燃機可以有效減少冷起動時的CO及HC排放。在內燃機怠速及部分負荷條件下，進氣摻氫均有利於提高內燃機熱效率、縮短燃燒持續期並降低循環變動。研究了過量空氣係數、點火角、內燃機負荷及停缸對摻氫內燃機性能的影響。發現適當提高混合氣過量空氣係數有利於提高摻氫內燃機的熱效率並減少HC、CO及NOx排放。發現怠速時進氣摻氫並結合停缸可以使內燃機獲得最佳的怠速經濟性。通過試驗揭示了進氣摻氫對改善化石燃料內燃機燃燒與排放特性的效果在小負荷及稀燃條件下更為明顯。此外，發現摻入標準氫氧氣較純氫氣更有利於提高內燃機熱效率並減少HC及CO排放。提高氫氧氣中氫氣所占的體積分數有利於控制內燃機顆粒物排放。進氣摻氫亦有利於減少乙醇內燃機所產生的乙醛排放。根據理論分析及試驗結果，提出了摻氫內燃機的“燃料與工況協同控制策略”。在底盤測功機上根據輕型轎車排放試驗方法對搭載了摻氫汽油機和車載制氫機的試驗車進行了整車排放性能研究。結果表明，採用“燃料與工況協同控制策略”，根據內燃機工況實時控制進氣氫氣及汽油的噴射比例，可以使整車排放水平可以由原車的滿足“歐II”排放法規提高至滿足“歐IV”排放法規要求。