氢气缸内直喷局部富氢稀燃汽油机及其混合动力汽车节能机理研究

Focusing on improving the efficiency of the conventional gasoline engine, a novel method to use hydrogen fuel is introduced in this project. The fundamentals and performances will be studied, such as on-board hydrogen production system, hydrogen direct injection system, lean-burn gasoline engine with local hydrogenous mixture. The whole system can provides the characters of higher compression ratio and leaner fuel mixture, which can be used to get fast combustion, and avoid engine misfire. What's more, during the heavy load work condition, the quality adjustment is used to reduce mechanical loss of the engine. The elements mentioned above brings gasoline engine with a higher efficiency. The on-board hydrogen production can avoid the current troubles, such as hydrogen storage and transportation. The control strategy of the novel engine combined with on-board hydrogen production will be studied in this project to optimal the total system efficiency. Considering the electric power supply for on-board hydrogen production, the perfect vehicle will be the hybrid electric vehicle. Hence, the project research contents will be as follows: studying on-board hydrogen production combined with gasoline engine and hybrid electric Vehicle. The combustion models, control system models will be developed, the optimal control methods will be studied to find the highest whole system efficiency. The contributions for this project are finding a higher efficiency power source, as well as providing a choice for hydrogen application based on on-board hydrogen production.

针对汽油机效率低的问题，提出利用氢气燃料特性来提高汽油机效率的方法。研究搭载在线制氢系统、氢气缸内直喷、局部富氢稀燃汽油机燃烧规律及节能机理，该汽油机可采用高压缩比，燃烧稀混合气，实现速燃，避免发动机失火，大负荷工作区域可采用质调节取代量调节，提高发动机效率。采用在线制氢的方式来供给氢气，可解决氢气存储和运输困难问题。在提高汽油机效率的同时，研究车载在线制氢系统与发动机的综合控制策略，以提高车载在线制氢系统的使用效率。车载在线制氢系统需要电力，理想应用车型为混合动力电动汽车。为此，开展搭载在线制气系统混合动力电动汽车的研究，采用理论研究、仿真分析及实验研究手段，对发动机燃烧、系统控制模型、混合动力能量管理优化控制策略进行研究，找到提高整车效率的规律和方法。本项目对最大限度提高混合动力电动汽车的效率具有理论研究意义和实用参考价值，同时为车载在线制氢技术的应用提供了一条新的途径。

本项目针对汽油机效率低的问题，提出利用氢气燃料特性来提高汽油机效率的方法。首先针对掺氢发动机对氢气的需求量和富氢混合气的组分含量展开分析研究，并以此为根据开发了微波等离子重整气制取设备并建立实验平台，并利用光谱分析的方式分析所制重整气成分。改装了一台采用氢气缸内直喷、汽油进气道喷射供给方式的汽油机，自主开发了控制模型和控制器，并搭建了缸内喷氢，局部富氢汽油机的发动机实验平台，研究其节能减排机理，通过对氢气的喷射压力，喷射时刻等参数的调节，实现不同转速，负荷和空燃比条件下发动机性能的优化。建立了整车仿真和控制平台，基于dSPACE硬件在环仿真系统为所开发的混合动力汽车设计了整车控制器，并选用动态规划算法对整车的能量分配和性能进行优化，搭建了整车实验台架并进行相关实验验证。研究结果表明：.1）水蒸气重整是车载制氢机适合使用的重整制取原理，由色谱结果可知其反应结果和制取效率满足掺氢汽油机的需要，但对功率和气压的控制要求较高，也需要与掺氢汽油机的消耗量建立更好的配合关系。.2）利用缸内直喷的方式少量掺混氢气可以大幅度提高传统汽油机在不同工况下的动力性和经济性，其中冷启动，怠速以及小负荷工况提升效果明显。利用氢气点火能量低，火焰传播速度快的特点实现掺氢汽油机的稀薄燃烧，从而进一步提高局部富氢汽油机的热效率。掺烧氢气会导致原机NOx排放增多，因此，由于氢气的加入可以改善稀燃稳定性，并提高EGR的耐受程度，采用缸内直喷氢气，以及稀燃和EGR联合控制的方式可以在节能的同时降低原机排放。.3）动态规划优化算法能够优化得到整车的最优性能，为其它控制策略提供优化目标和参考。使用动态规划算法优化后，缸内直喷氢气，局部富氢稀燃这种复合喷射模式节能效果明显。但相应地，也使整车控制中多出制氢机的效率匹配，电池的能量平衡，以及氢气喷射的参数变更等控制因素，对控制算法的有效性要求更高。