研究氢气添加对高压缩比液态甲烷气体（LMG）发动机燃烧性能和排放特性的影响

《Journal of the Energy Institute》：Investigation of the effect of hydrogen addition on the combustion and emissions performance of high compression ratio liquid methane gas (LMG) Engine

氢气掺烧对液化甲烷发动机燃烧及排放特性的影响研究，通过实验与数值模拟结合方法，分析不同氢能占比下发动机在连续变负荷工况下的性能。结果表明氢掺烧降低燃油消耗，提升燃烧压力与速率，但加剧爆震倾向，NOx排放增加而HC减排显著。

　　近年来，随着化石燃料的逐渐枯竭以及其大规模使用所导致的大量污染物排放，环境问题日益严重。为了应对这一挑战，全球范围内的研究人员纷纷探索替代燃料，以期在减少环境污染的同时，提高能源利用效率。这些替代燃料包括生物柴油、天然气（NG）、氢气、甲醇和乙醇等。其中，天然气因其相对清洁的特性以及丰富的储量，成为当前最广泛使用的气体燃料之一。然而，尽管天然气具有诸多优势，它在内燃机中的应用仍受到一定限制，主要原因是其火焰传播速度较慢，且在稀薄燃烧条件下的性能不佳。

为了改善天然气发动机的性能，研究人员采用多种方法进行研究，其中包括掺氢技术。氢气作为一种清洁燃料，具有火焰传播速度快、淬灭距离小以及良好的稀薄燃烧能力等优点，能够有效弥补天然气的不足。掺氢不仅可以提升天然气发动机的燃烧效率，还可以优化其排放特性。然而，氢气的加入也带来了一些新的挑战，例如爆震倾向的增加。因此，如何在提升燃烧性能的同时，控制爆震现象，成为研究的重点之一。

在本研究中，我们选择了一款直列六缸、四气门、单点喷射的火花点火（SI）天然气发动机作为研究对象，旨在探讨氢气掺入对高压缩比液化天然气（LMG）发动机在连续变化负载条件下的燃烧和排放特性的影响。为了全面分析这一问题，我们结合了实验和模拟两种研究方法。实验部分涵盖了不同氢气能量份额（HES）下的发动机运行状况，包括不同转速和负载条件下的表现。通过实验数据，我们能够获取发动机运行过程中诸如制动比油耗（BSFC）、缸内压力、燃烧温度以及排放特性等关键参数。同时，为了弥补实验研究在可视化方面的不足，我们还采用了数值模拟方法，对缸内燃烧过程进行了三维建模，从而能够更直观地展示氢气掺入对燃烧过程的影响。

实验研究的主要目的是获取真实运行条件下的数据，以验证模拟结果的准确性。然而，实验研究通常只能提供有限的可视化信息，例如缸内压力和温度等常见指标，而无法深入分析缸内燃烧的具体现象，如温度分布、燃料燃烧模式等。因此，我们通过建立三维数值模型，对这些细节进行了深入探讨。数值模拟的另一个优势在于，它可以覆盖更广泛的运行条件，从而更全面地评估氢气掺入对发动机性能的影响。此外，模拟方法还可以帮助研究人员预测在不同氢气能量份额下的燃烧行为，为未来氢气掺入技术的开发提供理论依据。

为了提高模拟结果的可靠性，我们采用了可靠的实验数据对模型进行了校准。这不仅增强了模拟的准确性，也为后续的分析提供了坚实的基础。通过结合实验和模拟，我们能够更全面地了解氢气掺入对高压缩比液化天然气发动机的影响。具体而言，随着氢气能量份额的增加，发动机的制动比油耗呈现出下降趋势，这表明氢气的加入有助于提高燃料利用效率。同时，缸内最大压力和压力上升率显著增加，这表明氢气的加入能够加快燃烧过程，提高燃烧效率。此外，燃烧过程的50%质量分数燃烧点（MFB）也明显提前，这进一步说明了氢气对燃烧速度的提升作用。

在排放方面，氢气的加入对氮氧化物（NOx）排放的影响较为显著，随着氢气能量份额的增加，NOx排放量呈上升趋势。这可能是由于氢气燃烧过程中产生的高温促进了氮氧化物的生成。相比之下，碳氢化合物（HC）排放则呈现出下降趋势，这表明氢气的加入有助于减少未完全燃烧的燃料排放。此外，随着氢气能量份额的增加，燃烧过程中的最高燃烧温度（LPCT）位置也明显提前，这一现象可能与氢气的高火焰传播速度和快速燃烧特性有关。

尽管氢气的加入显著提升了燃烧效率，但同时也带来了爆震倾向的增加。特别是在氢气能量份额从12%增加到20%的过程中，爆震现象的增加趋势尤为明显。这表明在提高燃烧效率的同时，需要对爆震现象进行有效控制，以确保发动机的稳定运行。因此，如何在不同氢气能量份额下优化燃烧过程，以减少爆震倾向，成为本研究的重要内容之一。

在实验过程中，我们选择了从2 bar到10 bar的制动均有效压力（BMEP）条件，涵盖了从低负载到高负载的多种运行场景。这一选择使得我们能够更全面地评估氢气掺入对发动机性能的影响，尤其是在连续变化负载条件下的表现。通过这种方式，我们不仅能够分析不同负载对燃烧和排放特性的影响，还能够探讨氢气掺入对发动机运行稳定性的潜在影响。

此外，我们还对不同转速下的运行状况进行了分析。在不同转速下，氢气掺入对燃烧特性和排放特性的影响可能会有所不同。例如，在高转速条件下，氢气的加入可能对燃烧过程的优化效果更为显著。因此，我们通过对不同转速和负载条件下的实验数据进行系统分析，进一步揭示了氢气掺入对发动机性能的多维度影响。

综上所述，本研究通过实验和模拟相结合的方法，深入探讨了氢气掺入对高压缩比液化天然气发动机燃烧和排放特性的影响。研究结果表明，氢气的加入能够显著提高发动机的燃烧效率和热效率，同时降低碳氢化合物排放。然而，氢气的加入也会导致爆震倾向的增加，特别是在较高的氢气能量份额下。因此，如何在提升燃烧效率的同时，有效控制爆震现象，成为未来研究的重要方向。通过本研究的探索，我们希望能够为氢气掺入技术在天然气发动机中的应用提供有价值的参考，同时也为未来相关研究奠定基础。