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本期专访人物——动力工程及工程热物理在站博士后 杨金鑫

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基本信息

论文中文题目：掺氢对汽油转子机流场及燃烧过程影响的数值模拟研究

论文英文题目：NUMERICAL INVESTIGATION OF HYDROGEN ENRICHMENT ON FLOW FIELD AND COMBUSTION PROCESS IN A GASOLINE WANKEL ROTARY ENGINE

所获奖励名称：2020年中国内燃机学会优秀博士学位论文

作        者：杨金鑫

指导教师：纪常伟 教授

培养院系：环境与生命学部

学    科：动力工程及工程热物理

研究体会：办法总比困难多

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研究背景与意义

转子发动机（以下简称转子机）具有功率密度大、结构简单以及转速高等优点，这使得转子机在增程式混合动力汽车、无人侦察机等领域有良好的应用前景。但由于转子机存在面容比大、燃烧室狭长等问题，在运行过程中会产生较高的油耗及有害排放。特别是我国近年来不断提高内燃机的排放及油耗标准，使得转子机的实际应用必须面对工信部油耗标准及“国6b”排放标准的双重挑战。因此，探索高效、低成本满足排放及油耗法规的自主技术是转子机能够得到实际应用和推广的关键。

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主要研究内容与创新点

主要研究内容：

以转子发动机为研究对象，构建并验证了掺氢汽油转子机CFD模型。通过数值模拟揭示了转子机缸内流场特性，以及气道掺氢和直喷掺氢对缸内混合气形成过程，火焰传播过程及排放物生成与分布情况的影响规律，并对直喷掺氢喷射位置和喷射策略进行了优化；此外，还对复合进气下掺氢汽油转子机的性能开展了数值模拟研究。提出不同条件下掺氢汽油转子机稳定、高效燃烧的控制方法，为实现转子机的高效、低排放运行提供基础理论、数据和控制策略。

创新点：

（1）通过采用压缩腔氢气缸内直喷，使氢气不再挤占进缸空气量，有效提高转子发动机充量系数(由气道喷氢的0.806提高到压缩腔氢气缸内直喷后的0.886)并消除进气道回火；并通过压缩腔氢气缸内直喷控制适当浓度的氢气分布在火花塞及燃烧室尾端区域，利用较浓混合气的高火焰速度，消除转子发动机燃烧室尾端的燃烧死区；在提高转子发动机充气效率的同时，还有效改善了缸内燃烧过程，提高转子发动机的燃烧效率和热效率。

图1 转子发动机缸内流场及火焰传播情况

（2）针对压缩腔氢气缸内直喷产生局部混合气浓区导致已燃区内存在不完全燃烧产物的问题，提出了不同喷射位置及喷射策略下，利用氢气射流、主流流场与滚流涡团相互作用诱导形成均质且无过浓区域混合气的控制方法，在消除转子发动机燃烧室尾端燃烧死区的同时，还促进了缸内混合气的完全燃烧，进一步提高转子发动机燃烧效率与排放特性。

图2 转子发动机缸内火焰传播与不完全燃烧产物

（3）在最优氢气直喷喷孔位置和喷射策略下，在保持原进\排气相位的基础上，添加周边进气道，采用复合进气改善了转子发动机的进气过程，进气流场和混合气形成过程的优化进一步提高汽油转子机的经济性、动力性和排放性，为实现汽油转子机高效、清洁燃烧提供了理论指导和参数基础。

图3 复合进气下，转子发动机缸内流场、充气效率及指示热效率

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代表性创新成果

1.Yang Jinxin, Ji Changwei*, Wang Shuofeng, Wang Du, Ma Zedong, Zhang Boya. Numerical investigation on the mixture formation and combustion processes of a gasoline rotary engine with direct injected hydrogen enrichment. Applied Energy, 2018, 224:34-41.

2.Yang Jinxin, Ji Changwei*, Wang Shuofeng, Shi Cheng, Wang Du, Ma Zedong, Yang Zixuan. Numerical study of compound intake on mixture formation and combustion process in a hydrogen-enriched gasoline Wankel rotary engine. Energy Conversion and Management, 2019, 185:66-74.

3.Yang Jinxin, Ji Changwei*, Wang Shuofeng, Wang Du, Shi Cheng, Ma Zedong, Zhang Boya. Numerical study of hydrogen direct injection strategy on mixture formation and combustion process in a partially premixed gasoline Wankel rotary engine. Energy Conversion and Management, 2018, 176:184-193.

4.Yang Jinxin, Ji Changwei, Wang Shuofeng, Wang Du, Ma Zedong, Ma Lili. A comparative study of mixture formation and combustion processes in a gasoline Wankel rotary engine with hydrogen port and direct injection enrichment. Energy Conversion and Management, 2018, 168:21-31.

5.Yang Jinxin, Ji Changwei, Wang Shuofeng, Zhang Zhihong, Wang Du, Ma Zedong. Numerical investigation of the effects of hydrogen enrichment on combustion and emissions formation processes in a gasoline rotary engine. Energy Conversion and Management, 2017, 151:136-146.

6.Yang Jinxin, Ji Changwei. A comparative study on performance of the rotary engine fueled hydrogen/gasoline and hydrogen/n-butanol. International Journal of Hydrogen Energy, 2018, 43:22669-22675.

7.Ji Changwei, Yang Jinxin, Liu Xiaolong, Wang Shuofeng, Zhang Bo, Wang Du. Enhancing the fuel economy and emissions performance of a gasoline engine-powered vehicle with idle elimination and hydrogen start. Applied Energy, 2016, 182:135-144.

8.Ji Changwei, Yang Jinxin, Liu Xiaolong, Zhang Bo, Wang Shuofeng, Gao Binbin. A quasi-dimensional model for combustion performance prediction of an SI hydrogen-enriched methanol engine. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41:17676-17686.

发明专利：

1.纪常伟, 杨金鑫, 汪硕峰, 徐溥言, 马泽东. 一种氢氧转子发动机及控制方法. 国家发明专利, 专利号: ZL201910182301.3.

2.纪常伟, 杨金鑫, 汪硕峰, 孟昊, 马泽东. 一种无节气门进气增压直喷氢转子机控制方法. 国家发明专利, 专利号: ZL 201910762417.4.

来源：北京工业大学研究生教育公众号

2021年6月14日