氢内燃机在运转过程中尤其是高负荷工况下会产生大量的NOx排放,这已成为阻碍其作为商品应用的一个瓶颈。尽管国内外的学者已对氢内燃机NOx排放控制开展了较为广泛的研究,但是这些研究主要集中于怠速、部分负荷及高速、高负荷下氢内燃机的燃烧与排放研究,对于氢内燃机冷起动工况下燃烧与排放特性的研究报道较为缺乏。冷起动是内燃机的一种典型工况,与其他工况相比,氢内燃机在冷起动工况下由于缸内温度较低使得NOx生成较少,但同时内燃机后处理系统尚未达到工作温度,使得生成的有害排放物直接被排至大气环境中,因而氢内燃机冷起动工况的排放性并不乐观。探索氢内燃机冷起动工况下燃烧与排放特性,寻求一种简单、高效的冷起动工况NOx控制技术,对于改善氢内燃机整体性能和推广氢内燃机汽车具有非常重要的意义。本文通过数值计算和试验的方法就过量空气系数与点火角对氢内燃机冷起动工况下燃烧与排放特性的影响进行了研究,以实现氢内燃机冷起动过程中低NOx排放。首先,基于CHEMKIN仿真软件对初始温度和压力分别为298 K和0.1 MPa,当量比分别为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4条件下氢气-空气预混燃烧过程进行了数值计算,重点分析了不同当量比对氢空气预混层流火焰特性、活性自由基及NO的生成规律的影响。计算结果表明,浓燃对于抑制燃烧温度,降低中间自由基及NO的生成速率具有显著的作用,为试验的进行提供了理论支持。为满足氢内燃机冷起动研究要求,本文以北京现代生产的一台四缸多点电喷点燃式内燃机为原型机,将其改造为进气道喷射式氢内燃机,并采用一套自主研发的电子控制单元来控制内燃机点火与氢气的喷射。通过调整氢气的喷射脉宽和点火提前角,可以实现对氢内燃机冷起动过程中混合气过量空气系数和点火时刻等参数的调整。其次,基于所搭建的氢内燃机试验系统,本文进行了过量空气系数对氢内燃机冷起动工况燃烧与排放特性的试验研究,重点探究了浓燃对氢内燃机冷起动性能及NOx排放的影响。研究结果表明,浓燃有利于提高氢内燃机冷起动性能并降低冷起动过程中NOx排放。当过量空气系数由1.54逐渐减小至0.72时,氢内燃机起动成功时间缩短了20.8%,冷起动前6秒内,氢内燃机NOx排放平均值降低约84.3%。然而,浓燃条件下,氢内燃机冷起动过程中缸内温度及转速较高,有利于润滑油蒸发、窜入缸内而带来HC和CO排放的升高,特别是CO排放问题更为显著。最后,针对氢内燃机浓燃冷起动时所带来的HC及CO排放问题,本文研究了浓燃条件下,点火角对氢内燃机冷起动工况下燃烧及排放特性的影响。研究结果表明,在过量空气系数为0.7的条件下,当点火角由25°CA BTDC逐步推迟至10°CA ATDC时,氢内燃机起动成功时间呈现先缩短后延长的变化趋势,缸压峰值先升高后逐渐降低,而冷起动前6秒内NOx、HC及CO排放平均值分别降低约84.9%、33.6%和23.8%。由此可见,浓燃条件下,过早或过晚点火都不利于氢内燃机冷起动,而适当推迟点火角可有效降低氢内燃机冷起动过程中的NOx、HC及CO排放。