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原文传递掺氢汽油机冷启动工况的数值模拟研究

论文题名：	掺氢汽油机冷启动工况的数值模拟研究
关键词：	汽车掺氢汽油机;冷启动工况;燃料配比;点火提前角;首循环着火性能;排放控制
摘要：	石油本身是一种不可再生资源，石油燃料燃烧造成的尾气污染已成为破坏环境的罪魁祸首。汽油机作为石油燃料内燃机的一种，在民用车辆中应用十分广泛，保有量巨大。汽油机冷启动阶段，由于雾化不良导致燃料燃烧不完全，造成了大量的燃料浪费以及严重的尾气污染，这种现状急需改变。氢气有许多优良的物理和化学性质，在汽油中添加氢气可以有效地改善汽油机冷起动性能。然而，目前对掺氢汽油机冷起动工况的数值模型研究还不够深入和系统。本文采用理论计算、数值模拟和实验相结合的方法，对一台掺氢汽油机在冷起动工况下进行了数值模拟。希望能够找到一种合适的氢气/汽油配比、合适的点火提前角，提高汽油机冷启动阶段的首循环着火性能并改善排放。　　本研究对首先一台进气道喷射的汽油/氢气双燃料发动机进行了逆向测绘，结合其运动参数建立了该发动机的动态三维模型;随后构建了氢气/汽油混合燃料层流火焰传播速率计算模型;之后，在IC Engine软件平台中将动态三维模型与氢气/汽油混合燃料层流火焰传播速率计算模型耦合，建立了冷启动汽油机CFD模型，并通过实验标定了该模型的喷氢及喷油策略，验证了该模型的准确性;最后利用实验获得的几组数据，结合所建立的CFD模型模拟计算了3种喷射策略下氢气/汽油混合燃料当量比分布情况及首循环着火能力，发现当喷氢脉宽为1.7ms、喷油脉宽为2.0ms时发动机启动性能最佳;在此基础之上，进一步研究了不同点火提前角对发动机的首循环着火能力及排放的影响。得出的结论如下: 　　(1)相对于纯汽油，掺入氢气有助于汽油机在冷启动条件下可燃混合气的快速形成，改善其当量比分布。并且随着氢气在混合燃料中的比重增加、汽油比重下降，由于氢气的高流动性，加上氢气射流对于汽油喷雾的搅拌作用加强，使得混合气更加迅速地均匀分布，同时也进一步改善了实际形成混合气的当量比分布，尤其是火花塞附近的混合气当量比分布过低的现象; 　　(2)相对于纯汽油情况下，掺氢能实现首循环着火。但当喷氢脉宽过大即掺氢量过大时，会出现早燃现象。就本研究而言，当喷氢脉宽为1.7ms，喷油脉宽为2.0ms时发动机启动性能最佳，既能实现首循环着火，又能有效避免混合气早燃; 　　(3)掺氢能够拓宽原汽油机的着火界限，同时在点火提前角10°BTDC—30°BTDC范围都能实现首循环着火。但当点火提前角晚于15°BTDC时，由于汽油燃烧速度慢于氢气燃烧速度的原因，峰值缸压将出现在上止点30℃A后，造成功率损失;而过早的点火角使得最大缸压出现在上止点，甚至是上止点前，易导致爆燃现象发生。发现点火角为15-25°BTDC时最佳; 　　(4)五种点火提前角下，HC和CO的排放都有所改善，但相对而言10°BTDC时排放量最大，20°BTDC时排放量最低。
作者：	童鹏
专业：	机械工程
导师：	李岳林;马源晖
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长沙理工大学
学位年度：	2021