随着化石能源的大量消耗以及环境污染的日益严峻,节能、减排已成为内燃机发展的必然趋势。氢气具有诸多优良的理化属性,在汽油、甲醇、乙醇等燃料中掺混氢气能够有效改善内燃机燃烧过程。然而,目前对掺氢内燃机燃烧特性及整车燃油经济性的数值模型还缺乏深入、系统的研究。这一方面制约了对掺氢改善内燃机宏观性能作用机理的深入认识;另一方面,掺氢燃烧模型的缺乏也为掺氢内燃机的结构及整车掺氢控制策略优化带来了困难。本文采用理论计算、数值模拟与内燃机试验相结合的研究方法,围绕掺氢内燃机的湍流燃烧特性及整车燃油经济性开展了模型构建和数值模拟工作。混合气的层流火焰传播速率是建立湍流模型的重要基础数据,本文研究发现掺氢燃料层流火焰传播速率由绝热火焰温度贡献率主导,并建立了覆盖内燃机燃烧热力学条件的掺氢燃料层流火焰传播速率计算模型,提出了适用于湍流燃烧模型的掺氢汽油、掺氢甲醇、掺氢乙醇层流火焰传播速率计算式。计算结果表明,在内燃机燃烧条件下,掺氢后不同基础燃料层流火焰传播速率的变化规律具有较大差异:掺氢汽油燃料的层流火焰传播速率在低掺氢摩尔分数时随掺氢摩尔分数增大小斜率线性上升,当掺氢占总燃料摩尔分数超过80%后层流火焰传播速率迅速升高;掺氢甲醇燃料的层流火焰传播速率随掺氢摩尔分数上升以二次函数形式提高;掺氢乙醇燃料的层流火焰传播速率在掺氢摩尔分数小于50%时线性增加,当掺氢摩尔分数超过50%后指数增加。为分析掺氢燃料内燃机微观燃烧过程,基于ECFM湍流燃烧模型和自主编写的掺氢燃料层流火焰传播速率子计算程序,建立并通过试验验证了掺氢燃料内燃机CFD燃烧模型。CFD数值模拟结果表明,掺混氢气能够强化湍流涡团对火焰锋面的拉伸和卷曲作用,加速湍流火焰在缸内的传播过程,内燃机进气中掺混3%的氢气能够使缸内湍流火焰面密度峰值提高28.9%,湍流火焰传播速率峰值提高37.2%。同时,由于掺氢后降低了缸内混合气的后燃燃烧,随着掺氢体积分数增大内燃机燃烧效率升高,未燃混合气浓度及缸壁传热损失降低。为研究不同工况下掺氢燃料内燃机的燃烧特性并揭示掺氢对改善汽油机燃烧性能的高效作用区间,基于双区热力学模型、湍流卷吸分维形数模型以及掺氢燃料层流火焰传播速率计算式,在Matlab语言环境中建立并通过试验验证了适用于全工况掺氢燃料内燃机燃烧性能模拟的准维模型。准维模型计算结果表明,汽油机缸内50%燃料燃烧时刻湍流火焰传播速率随稀燃迅速降低,掺混氢气能够有效改善稀燃时汽油机的湍流火焰传播过程,掺氢在混合气当量比小于0.9的稀燃条件下对汽油机热效率的改善效果较浓燃区域显著。同时,在内燃机进气中掺混10.0 L/min的氢气对于低速小负荷工况湍流火焰传播速率及制动热效率的改善效果较其他工况更加显著,在内燃机转速为1000 rpm、MAP为20 kPa的低速小负荷工况掺混氢气后汽油机缸内50%燃料燃烧时刻湍流火焰传播速率和制动热效率分别提高了106.6%和23.7%。为优化掺氢燃料内燃机轿车的掺氢及制氢控制策略,在AVL Cruise软件环境下建立了掺氢汽油机的动力系统及制氢储氢系统模型,分析了在NEDC车辆行驶循环下内燃机的工作运行区间,研究了车载制氢、怠速起停、氢气起动策略对整车燃油经济性及排放指标的影响规律,探索了整车节能指标随车载制氢系统能量转化效率及控制策略的变化规律并发现了车载制氢系统的高效工作区间。计算结果表明,在内燃机转速高于1000 rpm时车载制氢机工作的条件下,普通碱液制氢机的制氢效能即可充分满足车辆在NEDC行驶条件下采用氢气进行13次冷起动的用氢需求。采用氢气起动-怠速起停策略时,车辆NEDC循环百公里油耗较不采用怠速起停控制、不加装车载制氢储氢系统的原机下降0.79 L/100km,碳氢化合物及一氧化碳排放较原机降低70.8%和13.6%,然而由于氢气较高的绝热火焰温度,氮氧化物总排放量较原机提高了8.8%。在碱液制氢机45%的能量转化效率以及车载储氢系统容积为标准状态下9 L的情况下,当车载制氢机在内燃机转速高于1300 rpm,负荷低于80 kPa区间内工作制氢时,掺氢汽油机轿车可相对于原机节能6.48%。