转子发动机作为内燃机的一种,有着体积小、质量轻、转速高及功重比大等优点,在增程式混合动力汽车等领域有着良好的应用前景。但转子机燃烧室狭长且面容比大导致其油耗与排放较高。氢气具有诸多优良物化特性,掺氢能够有效改善汽油转子机燃烧与排放性能。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。利用CONVERGE数值模拟软件,基于RNG k-ε湍流模型和耦合PRF化学动力学机理的SAGE燃烧模型,构建了气道喷射掺氢汽油转子机CFD模型。搭建了掺氢汽油转子机实验台架并开展试验研究,验证了CFD模型的准确性。台架试验结果显示,掺氢可以有效缩短汽油转子机火焰发展期和快速燃烧持续期,降低循环变动并提高有效热效率,还可以减少HC、CO和CO₂排放。基于构建并验证了的CFD模型,通过数值模拟研究了气道喷射掺氢汽油转子机缸内流场特性,火焰传播过程和排放物生成与分布特性。研究结果表明,在压缩终了阶段,转子机缸内会形成与转子运动方向一致的主流流场,且掺氢体积分数越高主流流场的平均流速越快。同时,还发现在主流流场的中部存在着滚流涡团。受到主流流场的影响,向燃烧室尾端发展的火焰传播过程被抑制,且直到排气门打开时刻,燃烧室尾端的混合气也未参与燃烧,形成了未燃混合气死区。掺氢增加了燃烧过程中H、O和OH自由基生成,加快了燃烧进程,并在一定程度上促进了燃烧室尾端混合气的燃烧。氢气缸内直喷可以提高转子机的充量系数,通过数值模拟研究了氢气缸内直喷对汽油转子机缸内混合气形成、火焰传播及排放形成过程的影响。研究结果表明,氢气缸内直喷可以在火花塞及燃烧室尾端区域获得较高浓度的氢气分布。在直喷掺氢体积分数大于3%的条件下,火焰可以快速传播到整个燃烧室空间并消除尾端未燃混合气,解决了未燃混合气死区的问题,因此,获得了更佳的燃烧效果,与气道掺氢体积分数为6%的结果相比,直喷掺氢体积分数为4%、5%和6%条件下的缸内压力分别提高了59.6%,88.4%和90.6%。然而,在直喷掺氢体积分数高于4%的条件下,缸压升高过快导致负功增加,且混合气浓度过高导致已燃区中存在不完全燃烧产物。因此,控制分布在火花塞及燃烧室尾端区域氢气的浓度,是提高直喷掺氢转子机性能的关键。为了合理控制氢气缸内分布特性和浓度,通过数值模拟对氢气缸内直喷喷孔位置和喷射策略进行了优化。研究结果表明,将氢气喷孔设置在距离主轴50 mm且靠近火花塞一侧的气缸壁上,并以该位置的法线方向为喷射方向,氢气可以直接喷入到主流流场中的滚流涡团中。在涡团的作用下,加快了氢气的扩散,提高了混合气分布浓区的均质性并消除了过浓区域的存在,有效减少了燃烧过程中已燃区内的不完全燃烧产物。同时,在该氢气喷孔位置下,采用110 ^oCA BTDC的喷射时刻和40 ^oCA的喷射脉宽,可以获得更佳的燃烧效果和更低的排放。为了进一步提高直喷掺氢汽油转子机的性能,在优化后的氢气喷孔位置和喷射策略下,通过数值模拟研究了同时采用周边和端面进气的复合式进气方式对直喷掺氢汽油转子机性能的影响。研究结果表明,在复合进气条件下,周边进气气流占主导地位,加快了主流流场的形成,缸内平均流速升高,促进了向燃烧室前端发展的火焰传播。同时,进气口面积的增加,转子机的充量系数由端面进气下的0.886升高到复合进气下的0.955,缸内压力显著升高。此外,更高的缸内热氛围提高了混合气的完全燃烧程度,指示热效率也由端面进气下的27.5%升高到复合进气下的28.1%,排放性能也得到进一步改善。氢气的掺混可以有效提高汽油转子机的燃烧与排放性能,但通过气道掺氢难以解决转子机燃烧室尾端未燃混合气死区的问题。采用氢气缸内直喷并控制适当浓度的氢气分布在火花塞及燃烧室尾端区域,有效解决了转子机的死区问题。同时,通过优化直喷掺氢氢气喷孔位置和喷射策略,改善了直喷掺氢导致已燃区内存在未完全燃烧产物的问题,提高了汽油转子机燃烧与排放特性。此外,采用复合进气可以进一步提高直喷掺氢汽油转子机的性能。