摘要
能源短缺和环境污染是世界范围内所有的国家和地区迫在眉睫的两大问题，寻找新的清洁能源势在必行。氢气作为内燃机燃料具有高效率，高热值，零污染，易获取等优点，作为一种未来的、清洁的能源载体被广泛研究。 进气道喷氢相比缸内直喷氢具有技术难度低和提升混合气均匀性等优点，是氢燃料发动机目前比较常见的燃料供给方式。但是由于氢气密度低，从喷孔进入进气道后迅速膨胀，单路喷射氢发动机存在进气堵塞的问题，影响新鲜充量流入气缸，限制了氢发动机的输出功率。本文基于嘉陵JH-600单缸发动机建立氢发动机的三维模型，采用理论分析与数值模拟相结合的方法进行研究。首先，从喷氢方式出发，研究双路喷射方式对氢发动机进气堵塞的缓解作用；其次，控制双路喷射方式的两个喷孔独立喷氢，改变进气道内混合气的时空分布从而进一步缓解进气堵塞；然后，研究氢发动机的配气相位对提升充量系数和降低回火发生的可能性的作用；最后，将最佳喷氢方式与最佳进气门迟闭角结合进一步研究两者对提升充量系数和降低进气道残余氢气系数的协同作用。 研究结果表明：进气道单路（SI）喷射下由于氢气进入进气道发生膨胀带来的进气道堵塞主要发生中低转速（低于3000r/min），且随着喷氢持续期的增加，进气堵塞程度增加。在中低转速下采用双路喷射方式可以改变氢气射流的运动状态，双路分截面同侧（SP）喷射方式的氢气射流改变了混合气在进气道内的分布状态缓解了进气堵塞；双路分截面异侧（SH）喷射方式的氢气射流改变了喷氢期间氢气流入气缸的方式，减少了氢气在进气门处聚集，缓解了进气堵塞，有利于新鲜充量的进入气缸。双路喷射改变了进气道内混合气时间和空间的分布，有利于混合气在进气道内提前混合，提升了混合气均匀性，有利于燃烧过程的进行，提升氢发动机指示热效率和指示功率，但是会增加NOx的排放。适当改变两个喷孔氢气喷射比例，错开两个喷孔的喷射时间，可以进一步缓解进气堵塞，缓解进气堵塞降低了进气道残余氢气系数，抑制了回火发生的可能性。发动机的性能在很大程度上依赖其配气过程的完善程度，氢气的物化特性与汽油相差较大，因此需要对其配气相位进行优化。减小进气提前角降低了进气门打开时的气缸温度，降低了早燃和回火发生的可能性；适当的进气门迟闭角不仅可以增加进气量还可以减少空气倒流量，从而提升充量系数和输出功率，进气门迟闭角需要与转速相匹配，转速越高进气迟闭角越高；适当的排气提前角将换气过程的损失降到最低；适当的排气门迟闭角降低了缸内残余废气系数，增加了新鲜充量。
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