在日益增长的能源消费与日益苛刻的环境下，主动开发新能源，寻找车用发动机替代燃油，是当前我国发动机研究的重点。

在发动机多种替代燃油中，氢以其较低的着火能量、较宽的燃烧范围、较快的火焰传播速度和较高的燃烧效率以及洁净的燃烧产物等优势，成为当前发动机研究的热点。

然而，基于氢气发动机热效率高、燃料消耗小、废气少等优势，目前已有大量关于氢气发动机的燃烧和排放性能的研究。

但这些工作多针对发动机在空载、中、高负载等不同条件下进行，针对其在低温启动条件下的燃烧和排放规律尚不清楚。

发动机冷启动是发动机最不稳定和最恶劣的燃烧条件之一。

开展氢气发动机在低温启动条件下的燃烧和排放特性的研究，是提高其综合性能的关键。

确保氢气发动机平稳快速启动并高效减少污染物排放是该发动机启动过程中最重要的两个重要指标，其中，超空隙率和着火角度是决定该发动机启动性能的重要因素。

国际上已开展了过剩空气对氢气发动机性能和排放的影响的实验，发现无论是采用贫油还是稠油燃料，都可以实现氢气发动机NOx的减排。

采用稀薄的燃烧室可以有效地降低燃烧室中的NOx排放，但其对过剩空气的要求很高，且过于稀薄的混合气对氢气发动机的快速平稳启动不利。

与稀薄燃烧不同，富集燃烧时，因为燃料中的氧浓度较低，没有过剩的氧和氮，可以在较高温度下进行化学反应，减少NOx的排放。

但目前针对稠密燃烧室中，着火角影响下的氢气发动机冷启动，以及其排放特征尚不清楚。

实验中使用的样机为北京现代公司的Gamma1.6L发动机，其主要性能指标见下表1。

在进行测试之前，我们把测试用的汽油发动机改造成了一个纯氢的发动机，增加了一种多个点的电子控制的氢气注入装置。

本公司利用自行研制的一组电控装置，配合电脑终端校准软体，可实现对发动机点火角、注入氢气脉冲宽度等参数的实时、在线调节。

我们在此次试验中使用的，是一种氢内燃机测试系统的简图，具体情况如下图1所示。我们在试验过程中，使用了湘仪动力所生产的，GW型电涡流测功机，对氢内燃机转速及转矩进行了测量和控制。

在测试的时候，我们将氢气发动机的冷却水和润滑油的温度都保持在24.5摄氏度，开始节流的6.7%，并且以r/min的空闲速度作为目标，提供氢气的压力为0.4MPa。

为了确保氢气发动机的每一次启动速度一致，本实验采用启动马达带动发动机运转到转/分，并同时切断OECU、NECU的供电。

在测试过程中，利用NECU校正程序对注入的脉冲宽度进行了调整，使得多余空气的倍率为0.7。

本项目拟将点火角由起始点之前的25°，逐渐调节到起始点之后的10°，从而获得高密度燃料燃烧条件下，高密度燃料发动机的着火角度变化对其低温动态燃烧及排放特性的影响。

点火角对氢气发动机冷启动速度的影响速度，是判定发动机冷启动是否顺利的一个关键指标，如图2所示，在λ=0.7的情况下，在不同的着火角度下，在最初6秒内，氢气发动机的冷启动速度，随着时间的改变而改变。

由图2可知，在各种着火角度下，氢气发动机都能顺利启动。

这是因为氢的着火能量低，火焰传播速度快，能够在火花塞点火后迅速引燃的缘故。

从图2可以看到，随着点火角的延迟，在氢内燃机冷起动过程中，达到怠速目标转速的时间，也就是内燃机起动成功时间，出现了先缩短后延长的变化趋势。这表明，提早或过晚点火都不利于氢内燃机的冷起动。

本项目的研究将为氢气发动机的冷态启动和冷却过程的研究奠定理论和技术基础，并为氢气发动机的冷态启动和冷却过程的研究奠定理论和技术基础。.本项目的研究成果将为氢气发动机的冷态启动和冷却过程的研究奠定理论和技术基础。

产生该问题的主要因素是：在点火角较小的情况下，缸内温度和压力较小，燃油的可燃温度和可燃温度较高，燃油的释放速度较快。

而发动机中的大多数燃油，在未达到上止点的情况下，由于受到压力，发动机的负功会增加，从而导致发动机启动缓慢。

如果着火角度偏小，则会导致发动机向下流动的氢气过多，且燃烧定容降低，导致发动机启动缓慢。

而在点火角为15°BTDC时，由于燃油的燃烧过程更接近于上止点，所以具有更大的燃烧定容，从而使发动机的启动反应更为快速，如图3所示的汽缸压力曲线所示。

从图2可以看出，在不同的着火角度下，氢气发动机在冷态启动时，其旋转速度随着时间的延长而急剧上升，随后又逐渐下降。

这是由于原本发动机的电子控制系统，在冷启动时，使用了比较大的油门，让更多的气体，加入到发动机中，从而加速发动机的速度。

发动机启动后，原发动机的电子控制装置，将发动机的节流阀减小到最小，发动机的速度在5秒后开始下降。

气缸压力是表征发动机工作特性的关键指标，启动第一个循环燃油的燃烧品质将直接影响到随后的燃烧过程。

图3为氢气发动机启动时采用不同的着火角度，在第一个周期中，汽轮机第一次工作时，汽轮机内部的气压与曲柄转角之间的关系。

如图3所示，点火角越长，燃烧越晚，汽缸内的最高燃烧量先是上升，然后又降低，汽缸最高燃烧量出现的时间也随之延长，汽缸最高燃烧量是在点火角15°BTDC时达到最高的。

这是由于在较短的着火时间内，缸内温度和压力都比较低，这对着火中心的生成及火焰的迅速蔓延不利，同时燃油的燃烧速率也会减慢，从而使着火压力达到最大值。

如果发动机着火延迟，则由于发动机工作行程中燃油被卷入到发动机的动力过程中，导致发动机工作状态不稳定，从而导致发动机工作压力的峰值下降，从而导致其所对应的曲柄回转时间延迟。

从图3中我们也可以看到，当点火角是TDC，以及10度ATDC时，缸压曲线上会有两个尖峰，其中一个尖峰是因为活塞受到了挤压而产生的尖峰，另一个尖峰是因为燃料被点燃而产生的尖峰。

发动机的工作特性决定了发动机的工作状态，而发动机的两项重要特征是发动机的火焰形成阶段和迅速燃烧的维持阶段。

在发动机中，当发动机在发动机中点燃到10%的燃油时，以及在发动机中燃烧到10%到90%时，发动机中的火焰发育阶段和迅速燃烧阶段是指发动机通过发动机的转角处。

结果表明，缸内燃料的燃烧率除与燃料的浓度分布密切相关外，还与压力，温度，涡流强度，着火时间等因素密切相关。

因为在冷启动过程中，燃烧是不稳定的，所以，我们为了更清楚地体现出，点燃角对于氢气内燃机冷启动燃烧过程的影响，在图4、图5中，在λ=0.7时，分别示出。

在氢内燃机冷起动前50个循环火焰发展期，以及在高速持续燃烧期中，平均值随点火角的变化规律。从图4中我们可以看到，随着点火角的延迟，火焰发展期出现了先缩短后延长的变化趋势。

这是由于在早期着火时，发动机内部的燃油处于低温、低温状态，对火核的生成和生长不利，导致发动机着火时间延长。

这时，随着点火角的延迟，随着压缩行程的进行，汽缸内部的温度和压力都会逐步上升，同时也会在初期增加燃油的温度，从而让燃油更易于着火，从而造成了燃烧的时间，并且会随着点火行程的延迟而变短。

而随着点火角从5度BTDC向后延迟，由于在火花塞着火，或者在一些燃油开始燃烧的时候，由于活塞的逐步向下，气缸中的温度和压力都会降低，所以会使火焰的发展时间变得更长。

从图5可以看出，随着着火角度的延迟，氢气发动机开始的最初50个循环迅速燃烧的持续时间的平均随着着火角度的延迟而变得更长。

这是由于，由于着火角度的延迟，当更多燃油进入到燃烧的过程中，活塞已经开始下降，从而导致了燃烧的过程中，气缸中的温度和压力也随之下降，这对火焰的迅速扩散不利，从而导致了高速燃烧的过程。

如图6、7所示，在λ=0.7的情况下，在不同的着火角度下，在氢气发动机的冷态启动前6秒，在三元催化剂作用下，废气总管道中NOx的排放量随着时间的改变，以及在冷态启动前6秒，NOx的平均值随点火角的改变。

由图6及图7可知，在氢气内燃发动机冷启动之前的6s之内，NOx排放会随着着火角度的延迟而逐步减少，但是减少的幅度会随着着火角度的延迟而减少。

将点火角从25°延迟到10°ATDC，在氢气发动机冷启动6秒之内，NOx的最大排放峰减小了，平均NOx排放量下降了84.9%。

如图8、9所示，是在不同的着火角度下，HC放射随着时间的改变，以及在冷启动之前6秒，HC放射随着点火角的改变而改变的平均值。

由图8及9可知，在氢气发动机的冷启动时，延迟点火角度对降低HC的排放量是有利的。

将点火角从25°延迟到10°ATDC后，在发动机冷启动6秒之内，HC的峰值值逐步减小，平均HC排放量下降33.6%。

其原因在于，点火角的延迟将导致发动机发动机的最高燃温下降，导致机油无法充分利用，从而导致发动机燃油的流失；而点火角度的延迟，将导致发动机发动机的后燃问题更加严重。

废气温度的上升，使汽油在燃烧及废气作用下发生了更大程度的氧化，两者综合导致了HC的产生，并随着点火角度的增加而减少。

我们可以看到，在不同的点火角下，CO的排放量，以及在冷启动之前6秒，CO的平均值，都可以看到，在这个角度下，CO的排放量，会随着时间而改变。

由图10及11可知，在氢气发动机的冷启动期间，当着火角度被延迟时，一氧化碳的产生会逐渐减少。

将点火角从25°延迟到10°ATDC后，在发动机冷启动的6秒之内，CO的平均产出率下降了23.8%。

这是由于点火角的延迟，使氢气发动机在扩张行程中的缸温升高，同时使后燃烧增强，同时，膨胀行程中的缸温升高，以及后燃烧增强，都有利于CO的进一步氧化，从而使CO的排放降低。

在la=0.7的情况下，氢气发动机的启动成功时间，随点火角的增加而增加，以15°的BTDC为最佳启动速度。

汽轮机首循环汽轮机点火角随时间延长而增大，汽轮机燃烧室中汽轮机转子处汽轮机汽轮机的汽轮机燃烧压力呈上升趋势，汽轮机叶片汽轮机的点火角度为15°，汽轮机转子汽轮机叶片的汽轮机转速与汽轮机转速、汽轮机转速及汽轮机转速有关。

在λ=0.7的时候，随着点火角的延迟，在氢内燃机冷起动前50个循环中，火焰发展期的均值，出现了先缩短后延长的变化趋势，同时，快速燃烧持续期也在逐步地增加。

将点火角从25°的BTDC延后到10°的ATDC，可使纯氢气发动机在冷启动6秒之内的NOx平均下降84.9%,HC平均下降33.6%,CO平均下降23.8%。

因此，在发动机冷启动时，通过延迟点火角度，可以有效地减少排气量。