利用集成学习方法对轻型汽油车辆的瞬时氨排放进行预测

《Fuel》：Instantaneous ammonia emissions prediction for light-duty gasoline vehicles using ensemble learning

甲醇燃料自由活塞发动机发电机双喷射策略研究。系统探究点火后二次喷射对超稀燃（空燃比0.47）下燃烧强度、指示热效率和循环波动系数的影响。实验涵盖22种工况，发现D2I6工况较单喷射提升10.16%峰值放热率、5.97%指示热效率和21.88%循环波动系数降低。预喷射策略在D3I2工况下实现8.13%峰值放热率提升、8.21%热效率提升及25.82%循环波动系数降低。

　　这项研究首次系统地探讨了在甲醇燃料直接喷射自由活塞发动机发电机（FPEG）中采用双喷射策略，以提升在超稀薄燃烧条件下的指示热效率和燃烧稳定性。研究提出了一种基于火花点火后二次喷射的新型双喷射策略，并通过实验验证了其有效性。实验涵盖了三种喷射比例、七种喷射间隔以及单一喷射作为基准，共计22种测试条件。通过系统地分析喷射比例和时机对燃烧特性和性能的影响，研究发现，在超稀薄燃烧条件下（当空燃比φ为0.47时），增加第二次喷射的比例可以显著增强燃烧强度，提高指示热效率，并降低燃烧压力波动系数（COV_IMEP）。其中，D2I6这一测试条件表现最为优异，其最大热释放速率（HRRmax）相比单一喷射提高了10.16%，指示热效率提升了5.97%，COV_IMEP降低了21.88%。

在当前全球能源挑战和环境问题日益严峻的背景下，追求高效且低排放的能源系统已成为关键研究方向。多种技术路径，如电动驱动系统、燃料电池、增程器系统以及先进的内燃机，已经被广泛研究。然而，电池系统存在能量密度低和充电时间长的问题，燃料电池则面临成本高和基础设施不完善等挑战，而传统内燃机受限于机械复杂性和无法调节压缩比。这些问题限制了其在满足未来能源需求方面的有效性。在此背景下，自由活塞发动机发电机（FPEG）作为一种结合高效率与操作灵活性的解决方案，正逐渐受到关注。FPEG因其简化结构、低机械摩擦和可变压缩比特性，能够在不依赖传统曲柄连杆机构的情况下，通过燃烧驱动活塞进行线性往复运动，并直接与线性发电机耦合实现能量转换。这种简化设计不仅支持压缩比调节，还能够实现多种燃料的兼容性，从而为先进燃烧技术的实施提供了便利。

在FPEG中使用可再生能源燃料被视为实现高效率和低排放的重要途径。甲醇（CH?OH）作为一种清洁燃料，具有高氧含量和强抗爆性等特性，特别适合于高压缩比和稀薄燃烧条件。其高层流火焰速度和宽泛的可燃极限范围使得甲醇能够有效应对FPEG运行中的一些挑战，例如靠近上止点时的短驻留时间以及燃烧不稳定性。此外，甲醇可以通过多种原料合成，包括生物质、煤炭和天然气，这为其在能源安全和可持续性方面提供了优势。同时，先进的燃烧技术，如预燃室燃烧和火花塞辅助点火，已被证明在甲醇发动机中可以实现超过40%的热效率。因此，对甲醇驱动FPEG的燃烧过程和性能进行深入研究，对于高效率、低排放能源系统的开发具有重要的工程价值和实际意义。

近年来，稀薄燃烧、高压缩比和清洁燃料的使用被广泛认为是克服内燃机热效率限制、实现高效低排放运行的关键途径。已有大量研究探索这些技术方案。例如，Geng等人在液压自由活塞发动机中引入了双辅助压缩点火（DACI）模式，利用火花塞和热塞共同控制燃烧相位，并在广泛的压缩比范围内调节甲醇的热释放。在空燃比为0.6至0.8的情况下，该发动机实现了超过30.7%的指示热效率。Gong等人对甲醇发动机在稀薄燃烧条件下的特性进行了数值研究，结果表明在空燃比为0.20且压缩比为14的情况下，可以实现稳定的燃烧。此外，当压缩比从14增加到16时，在空燃比为0.67的情况下，指示热效率达到40%以上，提高了约14.9%。Zhang等人通过调节活塞运动轨迹，增强了FPEG中多燃料均质化燃烧（HCCI）的控制能力。Xu等人研究了一种由乙醇、正丙醇和RP-3航空煤油组成的混合燃料在FPEG中的表现，发现当乙醇体积占比超过40%时，制动热效率超过了汽油，同时CO排放显著减少。进一步提高压缩比还能提升制动热效率，其中E60和P60混合燃料分别达到了32.56%和32.85%的效率，分别比汽油提高了1.68%和2.59%。Zhang和Sun等人对氢燃料FPEG在HCCI条件下基于活塞轨迹的燃烧控制进行了数值研究，结果表明为了实现氢的自燃，最低压缩比需达到22:1，此时热效率可高达55.7%。Ngwaka等人系统研究了空燃比和发动机运行模式对FPEG性能的影响，结果显示气缸内最大压力与空燃比呈正相关，而最大压力出现的时间则随着空燃比的增加而提前。相比二冲程运行，四冲程模式可使指示热效率提高13.2%，达到11Hz时输出功率最高为650W。此外，在超稀薄燃烧条件下（空燃比低于0.5），NO?排放显著减少，表明超稀薄燃烧在FPEG中具有显著的排放控制潜力。

由于燃料浓度较低，以及对火焰传播和点火稳定性的严格要求，稀薄燃烧面临诸多挑战。传统的单一喷射策略往往无法在有限的时间内形成理想的燃料-空气混合物，从而限制了燃烧效率和稳定性的提升。为此，提出了多种喷射策略，通过精确控制喷射时机和燃料质量分布，以实现更优的分层混合，进而增强燃烧稳定性与循环间一致性。Zhang等人对甲醇直接喷射火花点火（DISI）发动机在λ=1.35的稀薄燃烧条件下的多种喷射策略进行了系统研究，结果显示双喷射和三喷射策略均能有效缩短燃烧持续时间与火焰发展周期，提高有效膨胀比，并增强燃烧稳定性。其中，三喷射策略将COV_IMEP从4.2%（基准）降低至1.49%，同时使热效率提升了6.8%，优于双喷射策略在稳定性和效率方面的表现。Yan等人提出了适用于双缸FPEG的分层燃烧策略，并对二次喷射时机和燃料质量分布对混合物形成和燃烧行为的影响进行了数值分析。结果表明，将二次喷射时机从16°CA BTDC提前至36°CA BTDC，可以显著改善混合物的均匀性，燃料蒸发率从89%提升至97%。此外，将二次喷射比例从20%降低至10%，进一步提高了燃料蒸发比例（从14%提升至16%），并在点火时机强化了混合物的分层特性。这些先前的研究表明，在稀薄燃烧条件下，多种喷射策略是实现FPEG系统稳定高效燃烧的有效手段。

综上所述，使用甲醇作为清洁燃料，结合提高压缩比和稀薄燃烧技术，已被广泛认为是提升FPEG系统燃料经济性和热效率的有效方法。双喷射策略被视为在稀薄条件下增强燃烧稳定性和效率的有前景方法。然而，在大多数现有研究中，甲醇驱动FPEG的第二次喷射通常是在火花点火之前进行的。考虑到甲醇的宽泛可燃极限，实施火花点火后二次喷射以实现有效点火和燃烧的潜力尚未得到系统性的探索。因此，本研究在甲醇直接喷射火花点火（DISI）FPEG平台上开展系统性实验，以探讨双喷射策略对超稀薄燃烧条件下燃烧过程和关键性能指标的影响。本研究旨在实现以下三个目标：

首先，阐明不同喷射策略对燃烧特性的影响机制，揭示喷射时机和燃料分布对火焰传播、燃烧速率和热释放行为的作用。通过深入分析，可以更全面地理解喷射策略如何改变燃烧过程，从而为优化燃烧控制提供理论依据。

其次，评估双喷射策略对系统性能和燃烧稳定性的提升效果，并量化性能变化的趋势及其与燃烧相位特性之间的相关性。这一部分的研究将有助于识别在哪些条件下双喷射策略能够带来最大的性能提升，并为实际应用提供数据支持。

最后，探讨实施火花点火后二次喷射的可行性及其在调节燃烧行为和提升性能方面的潜力。由于这一方面尚未得到充分研究，因此需要通过实验验证其实际效果，并为未来的技术发展提供参考。

为了实现上述目标，本研究采用了甲醇直接喷射火花点火（DISI）FPEG平台作为实验对象。该平台采用对称双燃烧室结构，线性发电机单元位于中央，以实现双向往复发电。其基本运行原理如下：初始阶段，线性电机驱动活塞组件向一侧运动，压缩空气-燃料混合物并启动燃烧。燃烧产生的膨胀力推动活塞向另一侧运动，从而实现能量转换。通过这种方式，FPEG能够在不依赖传统曲柄连杆机构的情况下，实现灵活的运行模式和高效的能量输出。

在实验过程中，研究者对比了单一喷射与三种不同喷射比例的策略，同时考察了七种不同的喷射间隔。结果表明，喷射比例与第二次喷射时机的耦合对燃烧特性产生了显著影响。具体而言，与单一喷射策略相比，适度增加第二次喷射的比例有助于提高气缸内的燃烧强度，进而改善指示热效率，并降低COV_IMEP。此外，研究还发现，预火花喷射策略能够促进靠近火花塞区域的燃料富集，加快火焰发展，并缩短ECA0–10和ECA10–90这两个关键燃烧阶段的时间。在这一类别中，D3I2条件表现最佳，其最大热释放速率提高了8.13%，指示热效率提升了8.21%，COV_IMEP降低了25.82%。

本研究的结果表明，双喷射策略在超稀薄燃烧条件下具有显著优势，能够有效提升FPEG的燃烧稳定性和热效率。通过系统性的实验分析，研究者不仅揭示了喷射策略对燃烧过程的具体影响，还为未来的技术优化提供了重要依据。同时，本研究也指出了火花点火后二次喷射在提升燃烧效率方面的潜力，为相关技术的进一步发展奠定了基础。这些发现对于推动高效率、低排放能源系统的研发具有重要的理论和实践意义。