氢空气混合气异常燃烧特征分析与燃烧性能优化研究

分析和解决异常燃烧与提高氢燃料内燃机功率的矛盾是推动氢发动机研究进展的关键。早燃、回火等异常燃烧发生的燃烧特征、产生机理与发生条件是抑制异常燃烧的基础。本项目采取理论、模拟计算和试验相结合的研究手段，研究氢空气混合气发生早燃、回火异常燃烧时的燃烧特征。将表征氢空气混合气形成的流场、温度场、浓度场、火焰传播图像等的演变规律与基于先进信号分析方法获得的燃烧特征信号的演变规律相结合，揭示异常燃烧的流动和传热特征，探索异常燃烧之间的内在联系和互相转换机理。研究并建立起表征早燃、回火的特征参数与主要运转参数的关联规律。建立起早燃、回火等异常燃烧发生的条件，建立起反映异常燃烧本质的特征参数、状态参数、运转参数、氢燃料发动机性能指标之间的燃烧控制模型，研究对模型的处理方法。探索获得消除异常燃烧并兼顾氢发动机燃烧性能的优化控制策略和方法。为解决异常燃烧与提高氢发动机功率之间的矛盾奠定理论基础。

为解决氢内燃机异常燃烧问题及异常燃烧与发动机性能之间的矛盾，探寻氢空气混合气在内燃机中发生早燃、回火的燃烧特征和互相转换机理。研究了点火提前角、当量比、不同喷氢时刻、不同喷氢压力、配气相位时缸内流场、温度场和浓度场的演化过程和对异常燃烧的影响。研究发现喷氢时刻、喷氢阀的位置对缸内的流场和燃料浓度分布影响较大；点火提前角、当量比、喷氢时刻、喷氢压力均对异常燃烧有着程度不同的影响。研究了单个循环及多个循环下，运转参数,如点火提前角和过量空气系数与缸内状态参数（压力、温度等）、缸内状态参数与异常燃烧（早燃、回火）之间的关系。通过缸内状态参数，揭示了运转参数与异常燃烧之间的联系机制。在上述研究的基础上，发现回火和氢气喷射正时及持续时间、点火正时关系密切。研究了进气管延时喷氢与多路并行喷氢方式相结合的喷氢系统与喷氢控制策略。并且，根据发生早燃与回火的强烈程度，结合氢发动机的负荷工况，研究了兼顾动力性与经济性的推迟点火与进气管喷水相结合优化控制方案。将质量传递、能量传递等热力学分析方法与非线性控制系统状态空间分析方法相结合，建立氢燃料发动机非线性燃烧控制系统的最优控制模型，揭示氢发动机燃烧和能量传递与运转参数、状态参数、性能指标之间的内在联系，为通过优化控制运转参数，改变缸内状态参数，改善性能指标和解决异常燃烧问题提供理论分析与实验研究基础。将非线性规划理论和多目标遗传算法相结合，提出求解运转参数最优值的方法，并且实现了将氢内燃机多目标、多约束的优化控制集成为单目标的优化控制。