氢气作为内燃机燃料,既具有清洁、可再生的特点,又具有较高的热效率,为解决能源和环境问题开辟了一条可发展之路。氢和含氢燃料发动机的研究对我国发展新一代车用代用燃料技术具有重要意义。本文针对氢发动机以及H2/CH4混合燃料发动机进行了数值模拟仿真与试验研究,为寻找高效率低排放的氢和含氢燃料发动机提供思路和依据。仿真研究方面,本文从氢燃料的混合气形成和燃烧特征着手,应用CFD软件STAR-CD建立了包括化学反应动力学模块、湍流模块、传热损失模块等在内的氢发动机和H2/CH4发动机三维数值模拟仿真模型。通过仿真计算得到发动机在不同工况下的缸内压力、缸内温度、燃烧速率、放热率及各组分浓度随曲轴转角的变化规律。系统地分析了过量空气系数、点火时刻、进气初始压力、进气初始温度、燃料混合比、进气氧浓度等参数对发动机燃烧以及排放的影响,剖析了发动机污染物的产生机理。以仿真研究结果为指导,在氢燃料专用发动机试验台架上进一步开展了氢发动机燃烧和排放规律研究,仿真研究中得到的氢发动机燃烧与排放规律在试验结果中得到了验证。主要研究结果如下:(1)随着过量空气系数增大,氢发动机点火后缸内压力和温度升高率减小,峰值压力和峰值温度减小,NO排放显著降低,在稀薄燃烧时,氢发动机可以实现稳定和清洁的燃烧。(2)当点火时刻提前,引起氢空混合气燃烧过程提前,缸内的压力和温度在点火后迅速增加,已燃气体滞留在高温下的时间较长,NO的生成量增加。(3)每循环燃料量一定,进气初始温度降低或者进气初始压力增大,可以使得进入缸内的氢空混合气变稀,点火后燃烧速率减小,缸内温度和压力峰值减小,放热率峰值减小,放热持续期增长。同时,缸内温度的下降抑止了NO的生成。(4)使用不同混合比的H2/CH4混合气作为发动机燃料,随着混合气中掺甲烷比例增加,混合气燃烧速率减慢,缸内峰值压力和峰值温度减小,放热率峰值减小,放热持续期增长,燃烧温度的降低抑制了NO的生成。但发动机CO2污染物的生成量增多。因此,燃料混合比的优化是H2/CH4发动机优化的重要部分。(5)随着进气中氧浓度的减少,H2/CH4混合气燃烧反应减缓,抑止了燃烧最高温度的增长,NO生成量减少。同时,氧浓度的降低使得燃烧的持续期增长,并影响燃烧的完善程度及稳定性。所以,综合考虑排放性和经济性,合理控制进气氧浓度十分重要。