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新能源汽车发展的浪潮和日益严苛的排放法规和油耗标准快速推动了高效零排放内燃机技术的革新和发展，而氢能作为清洁高效的二次能源，运用于内燃机具有良好前景。本文以氢气为燃料、氩气为作功工质的高效零排放氩气发动机为研究背景，对其供气方式和策略展开试验和CFD仿真研究，以期为新型发动机后期的燃烧和喷射策略优化提供理论指导。试验方面研究了H2射流在不同比例混合气氛围下(Ar-O2、空气、CO2-O2)的喷射和混合特性，补充了H2射流在含氧混合气下喷射和混合特性研究的不足。仿真方面对比研究了单一喷射和H2+O2协同喷射方式对氢氧射流喷射和混合特性的影响，为氩气发动机的新型喷射方式做了初步探索。
本文基于高温高压燃烧弹和纹影法，试验研究了不同压力边界、混合气氛围、混合气比例和喷孔直径对H2射流贯穿距离、锥角、截面积、体积和过量氧气系数的影响，并对H2射流贯穿距离的无量纲化数据进行了分析和拟合。试验研究的主要工作和成果汇总如下：
(1)对比不同环境氛围和混合气比例下发动机热效率，确定合适的混合气比例以展开试验研究，并利用Matlab程序对纹影法获取的射流图像进行图像识别和数据处理，获得射流宏观特征参数。
(2)对比H2射流在氧气体积比例均为21%的不同环境氛围下的喷射和混合特性，发现H2射流在空气中具有最大的贯穿距离和最小的射流锥角，而在CO2-O2氛围中具有最大的射流锥角，但CO2-O2和Ar-O2氛围下的射流贯穿距离无明显差异。空气中过量氧气系数由于射流具有最大的贯穿距离而具有最大值，CO2-O2氛围中由于射流锥角的作用而具有相比Ar-O2混合气中更高的过量氧气系数。当贯穿距离一致时，Ar-O2混合气下过量氧气系数最低，另外两种氛围下过量氧气系数相近。
(3)研究了不同喷射压力和环境压力对H2射流在氧气体积比例为21%的三种混合气氛围下的喷射和混合特性。研究结果表明三种环境氛围下H2射流贯穿距离、截面积和总体积均随着喷射压力的增大和环境压力的减小而增大，且射流截面积随着喷射的进行而线性增大，其斜率随着喷射压力的增大和环境压力的减小而增大。Ar-O2和CO2-O2氛围中贯穿距离随喷射压力增大的增长趋势渐缓，而空气中未呈现明显的渐缓趋势，但三种氛围下贯穿距离随环境压力增大的减小趋势均渐缓；氢气射流锥角总体表现为随着喷射压力和环境压力的增大而增大，但不同环境氛围下变化过程有所差异，空气中的H2射流锥角在喷射压力达到8MPa后不再上升，CO2-O2氛围中锥角在环境压力达到0.8MPa后不再随环境压力升高。
在Ar-O2和CO2-O2氛围中，过量氧气系数随着喷射压力增大而增大，且在较高环境压力下具有更高过量氧气系数；空气中过量氧气系数在喷射压力到达8MPa后不再随喷射压力升高，且在喷射后期随着环境压力的增大而增大。当贯穿距离一定时，三种氛围下过量氧气系数总体随着环境压力的增大而增大，在环境压力为1.0MPa和1.2MPa时具有较高值；Ar-O2和CO2-O2氛围中过量氧气系数受喷射压力影响较小，且在低喷射压力下具有较高值；空气中的过量氧气系数表现为先增大后减小，在喷射压力为8MPa时具有最大值。
(4)提高Ar-O2混合气中Ar比例，射流贯穿距离和总体积略有减小，射流锥角有所增加，但对射流截面积影响较小。提高CO2-O2混合气中CO2比例，射流锥角和总体积略有增加，但贯穿距离无明显差异。在相同喷射时间或相同贯穿距离下，由于氧气比例的影响，两种氛围下的过量氧气系数均随着氧气比例的增加而增加。
(5)两种喷射系统下射流锥角均随着喷孔直径的增大而增大，但低压喷射系统下由于大流量喷嘴能快速建立起喷射压力而使射流贯穿距离、截面积和体积均随着喷孔直径的增大而增大，而高压喷嘴系统下由于较小的喷嘴流量表现为相反的变化规律。
(6)引入(ρn/ρa)1/4对贯穿距离进行无量纲化，显著提高了H2射流贯穿距离无量纲化数据的集中程度以及射流贯穿距离拟合和预测的精度。研究结果表明喷射压力、环境压力和气体比例对拟合结果的影响较小，但环境气体密度的增加会增大拟合直线的斜率。不同比例混合气氛围下的射流贯穿距离可采用其中一种混合气比例下的拟合公式进行误差在5%内的准确预测。
另外，采用CFD仿真方式补充研究了环境温度对单一射流喷射和混合的影响，并对比分析了不同氢氧喷射位置下的协同射流的差异，同时研究了氢氧协同射流在不同喷射压力和环境压力下的喷射和混合特性。仿真研究的主要工作和成果汇总如下：
(1)建立能准确仿真气体射流的二维轴对称模型，并将通过试验验证的单一模型推广至协同喷射仿真研究。同时建立了利用二维模型内积分处理获得三维特征参数的方法，节省了仿真计算的成本。
(2)仿真结果表明氢气射流的摩尔分数和速度随着轴向位置和径向位置坐标的增大而减小，且温度升高，相同轴向位置处射流具有更高的氢气摩尔分数和射流速度。另外，温度升高，射流贯穿距离和卷吸的氩气体积增大，但卷吸氩气质量减少，同时氢气射流卷吸质量比和卷吸体积比均随着环境温度的升高而降低。
(3)内氢外氧协同射流相比内氧外氢协同射流具有更高的射流贯穿距离，但卷吸氩气的质量呈现两阶段变化规律：当喷射时间大于0.45ms时，内氢外氧喷射方式下卷吸的氩气质量低于内氧外氢喷射方式，而在喷射时间小于0.45ms时，规律相反。两种喷射方式下的协同射流的卷吸质量比和卷吸体积比保持一致，均表现为两段规律，变化规律与卷吸氩气的质量规律保持一致。
(4)协同射流的贯穿距离大于单一气体射流的贯穿距离，但协同射流卷吸氩气的质量小于单独气体射流卷吸氩气质量的和。另外，协同射流的贯穿距离、卷吸氩气质量和体积随着喷射压力的增大和环境压力的减小而增大，但卷吸质量比和体积比呈现相反的变化规律。
本文基于高温高压燃烧弹和纹影法，试验研究了不同压力边界、混合气氛围、混合气比例和喷孔直径对H2射流贯穿距离、锥角、截面积、体积和过量氧气系数的影响，并对H2射流贯穿距离的无量纲化数据进行了分析和拟合。试验研究的主要工作和成果汇总如下：
(1)对比不同环境氛围和混合气比例下发动机热效率，确定合适的混合气比例以展开试验研究，并利用Matlab程序对纹影法获取的射流图像进行图像识别和数据处理，获得射流宏观特征参数。
(2)对比H2射流在氧气体积比例均为21%的不同环境氛围下的喷射和混合特性，发现H2射流在空气中具有最大的贯穿距离和最小的射流锥角，而在CO2-O2氛围中具有最大的射流锥角，但CO2-O2和Ar-O2氛围下的射流贯穿距离无明显差异。空气中过量氧气系数由于射流具有最大的贯穿距离而具有最大值，CO2-O2氛围中由于射流锥角的作用而具有相比Ar-O2混合气中更高的过量氧气系数。当贯穿距离一致时，Ar-O2混合气下过量氧气系数最低，另外两种氛围下过量氧气系数相近。
(3)研究了不同喷射压力和环境压力对H2射流在氧气体积比例为21%的三种混合气氛围下的喷射和混合特性。研究结果表明三种环境氛围下H2射流贯穿距离、截面积和总体积均随着喷射压力的增大和环境压力的减小而增大，且射流截面积随着喷射的进行而线性增大，其斜率随着喷射压力的增大和环境压力的减小而增大。Ar-O2和CO2-O2氛围中贯穿距离随喷射压力增大的增长趋势渐缓，而空气中未呈现明显的渐缓趋势，但三种氛围下贯穿距离随环境压力增大的减小趋势均渐缓；氢气射流锥角总体表现为随着喷射压力和环境压力的增大而增大，但不同环境氛围下变化过程有所差异，空气中的H2射流锥角在喷射压力达到8MPa后不再上升，CO2-O2氛围中锥角在环境压力达到0.8MPa后不再随环境压力升高。
在Ar-O2和CO2-O2氛围中，过量氧气系数随着喷射压力增大而增大，且在较高环境压力下具有更高过量氧气系数；空气中过量氧气系数在喷射压力到达8MPa后不再随喷射压力升高，且在喷射后期随着环境压力的增大而增大。当贯穿距离一定时，三种氛围下过量氧气系数总体随着环境压力的增大而增大，在环境压力为1.0MPa和1.2MPa时具有较高值；Ar-O2和CO2-O2氛围中过量氧气系数受喷射压力影响较小，且在低喷射压力下具有较高值；空气中的过量氧气系数表现为先增大后减小，在喷射压力为8MPa时具有最大值。
(4)提高Ar-O2混合气中Ar比例，射流贯穿距离和总体积略有减小，射流锥角有所增加，但对射流截面积影响较小。提高CO2-O2混合气中CO2比例，射流锥角和总体积略有增加，但贯穿距离无明显差异。在相同喷射时间或相同贯穿距离下，由于氧气比例的影响，两种氛围下的过量氧气系数均随着氧气比例的增加而增加。
(5)两种喷射系统下射流锥角均随着喷孔直径的增大而增大，但低压喷射系统下由于大流量喷嘴能快速建立起喷射压力而使射流贯穿距离、截面积和体积均随着喷孔直径的增大而增大，而高压喷嘴系统下由于较小的喷嘴流量表现为相反的变化规律。
(6)引入(ρn/ρa)1/4对贯穿距离进行无量纲化，显著提高了H2射流贯穿距离无量纲化数据的集中程度以及射流贯穿距离拟合和预测的精度。研究结果表明喷射压力、环境压力和气体比例对拟合结果的影响较小，但环境气体密度的增加会增大拟合直线的斜率。不同比例混合气氛围下的射流贯穿距离可采用其中一种混合气比例下的拟合公式进行误差在5%内的准确预测。
另外，采用CFD仿真方式补充研究了环境温度对单一射流喷射和混合的影响，并对比分析了不同氢氧喷射位置下的协同射流的差异，同时研究了氢氧协同射流在不同喷射压力和环境压力下的喷射和混合特性。仿真研究的主要工作和成果汇总如下：
(1)建立能准确仿真气体射流的二维轴对称模型，并将通过试验验证的单一模型推广至协同喷射仿真研究。同时建立了利用二维模型内积分处理获得三维特征参数的方法，节省了仿真计算的成本。
(2)仿真结果表明氢气射流的摩尔分数和速度随着轴向位置和径向位置坐标的增大而减小，且温度升高，相同轴向位置处射流具有更高的氢气摩尔分数和射流速度。另外，温度升高，射流贯穿距离和卷吸的氩气体积增大，但卷吸氩气质量减少，同时氢气射流卷吸质量比和卷吸体积比均随着环境温度的升高而降低。
(3)内氢外氧协同射流相比内氧外氢协同射流具有更高的射流贯穿距离，但卷吸氩气的质量呈现两阶段变化规律：当喷射时间大于0.45ms时，内氢外氧喷射方式下卷吸的氩气质量低于内氧外氢喷射方式，而在喷射时间小于0.45ms时，规律相反。两种喷射方式下的协同射流的卷吸质量比和卷吸体积比保持一致，均表现为两段规律，变化规律与卷吸氩气的质量规律保持一致。
(4)协同射流的贯穿距离大于单一气体射流的贯穿距离，但协同射流卷吸氩气的质量小于单独气体射流卷吸氩气质量的和。另外，协同射流的贯穿距离、卷吸氩气质量和体积随着喷射压力的增大和环境压力的减小而增大，但卷吸质量比和体积比呈现相反的变化规律。