单因素分析与多目标优化：针对PFI氢内燃机的氢注入策略及化学计量控制

《Journal of Cleaner Production》：Single-factor analysis and multi-objective optimization of hydrogen injection strategies and stoichiometric control for a PFI hydrogen ICE

氢内燃机空燃比、喷射正时与氢气喷射压力的协同优化研究，通过2.8L发动机实验分析多参数耦合作用，在低转速高负荷工况下实现制动热效率41.11%、COV IMDb 1.21%和BSNOx 1.71 g/kWh的最佳匹配，揭示了λ-SOI协同调控燃烧相位与混合气形成，SOI-PH2联合优化抑制 knocking 机理，为氢发动机高效清洁控制提供实验边界与策略。

　　氢气作为一种零碳燃料，在汽车发动机领域正逐渐受到重视。随着全球环境问题的加剧，尤其是温室气体排放对气候变化的深远影响，传统化石燃料的使用正面临越来越多的挑战。交通运输行业是全球碳排放的重要来源，其中道路运输占据了相当大的比例。因此，寻找替代能源成为实现碳中和目标的关键。氢气因其燃烧后几乎不产生二氧化碳，且具有高热值和良好的能量密度，被视为一种理想的清洁能源载体。然而，氢气发动机在实际应用中仍然面临诸多技术难题，如燃烧控制、性能优化以及排放管理等。本文旨在探讨氢气发动机中空气-燃料比（λ）、喷油时刻（SOI）和氢气喷射压力（P_H2）等关键参数对发动机性能和排放的影响，并通过实验研究揭示这些参数之间的协同作用机制。

氢气发动机的燃烧特性与传统汽油或柴油发动机存在显著差异。氢气的最小点火能量较低，且其火焰传播速度较快，这使得其在燃烧过程中容易引发异常燃烧现象，如爆震、回火和早燃等。这些现象不仅会影响发动机的运行稳定性，还可能对排放性能造成负面影响。因此，如何有效控制这些异常燃烧现象，成为氢气发动机研发过程中必须解决的问题之一。近年来，研究者们尝试通过优化喷油策略、改进燃烧室设计以及引入先进的控制算法来提升氢气发动机的性能和排放控制能力。其中，多参数协同优化被广泛认为是解决热效率与氮氧化物（NOx）排放之间固有矛盾的有效方法。

在氢气发动机中，空气-燃料比（λ）是影响燃烧效率和排放的关键因素之一。λ值的增加意味着混合气变得更加稀薄，这有助于降低NOx的生成，但同时也可能对燃烧稳定性产生不利影响。研究表明，当λ接近3时，NOx排放可降至接近零的水平，这表明在特定条件下，超稀薄燃烧可以实现低排放与高效率的平衡。然而，超稀薄燃烧条件下，混合气的均匀性和点火可靠性成为需要重点考虑的问题。为了克服这些挑战，研究人员提出了多种控制策略，如废气再循环（EGR）、水喷射和氢气-水双燃料喷射等，以改善燃烧特性并降低排放水平。

喷油时刻（SOI）对氢气发动机的燃烧过程具有决定性作用。SOI的调整可以影响混合气的形成时间、燃烧开始时机以及燃烧持续时间。在低速高负荷条件下，SOI的优化尤为重要，因为此时发动机的热效率和排放控制需求最为迫切。研究表明，提前喷油可以提高混合气的均匀性，从而增强燃烧效率，同时减少NOx的生成。然而，喷油时刻的调整必须在确保燃烧稳定性的情况下进行，否则可能导致爆震或回火等异常燃烧现象的发生。因此，如何在不同工况下合理设定SOI，成为氢气发动机控制策略设计中的核心问题之一。

氢气喷射压力（P_H2）同样对发动机性能和排放具有重要影响。较高的喷射压力有助于提高氢气雾化效果，从而改善混合气的均匀性，进而提升燃烧效率。然而，喷射压力的增加也会带来一系列挑战，如喷油器磨损、系统复杂度上升以及对发动机结构的额外要求等。因此，P_H2的优化需要在提升性能与确保系统可靠性之间取得平衡。此外，P_H2与SOI的协同优化在提高混合气质量、降低爆震风险方面展现出显著优势。通过调整喷射压力与喷油时刻的配合，可以在保证燃烧稳定性的同时，实现更高的热效率和更低的排放水平。

为了系统地分析这些参数对氢气发动机的影响，本文设计了一系列实验，涵盖了低速、中速和高速不同工况下的性能测试。通过实验数据的分析，研究者们能够更清晰地理解λ、SOI和P_H2在不同条件下的作用机制，并探索其协同优化的可能性。实验结果显示，在低速高负荷条件下，通过精准控制λ与SOI的协同关系，可以实现较高的热效率（达到41.11%）和较低的NOx排放（1.71 g/kWh）。同时，SOI与P_H2的联合优化有助于提升混合气质量，有效抑制爆震的上限，从而增强发动机的运行稳定性。

在实验过程中，研究团队采用了一种系统化的方法，首先分析单一参数对发动机性能的影响，然后深入探讨两个参数之间的耦合效应。这种分阶段的研究策略有助于识别各参数之间的相互作用，为后续的多参数协同优化提供理论依据。例如，在λ与SOI的耦合优化中，研究发现两者之间的协同关系对燃烧效率和排放控制具有显著影响。当λ值增加时，NOx排放明显降低，但此时需要通过提前喷油来维持燃烧的稳定性。相反，当SOI提前时，混合气的均匀性得以提升，热效率也随之提高，但若λ值过低，则可能导致燃烧不完全，从而增加碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的排放。

此外，氢气喷射压力（P_H2）的优化同样需要考虑其与其他参数的协同作用。较高的喷射压力可以增强氢气的雾化效果，从而改善混合气的均匀性，提高燃烧效率。然而，过高的喷射压力可能会导致喷油器的磨损加剧，增加系统的维护成本。因此，在优化P_H2时，必须结合其他参数的调整，以实现最佳的性能与排放平衡。实验结果表明，通过合理设定P_H2，可以在不影响燃烧稳定性的前提下，显著提升发动机的热效率。

本文的研究成果不仅为氢气发动机的控制策略提供了重要的理论支持，也为实际应用中的性能优化和排放控制提供了可行的技术方案。通过构建多参数协同优化的实验地图，研究团队能够为氢气发动机的先进控制系统开发提供清晰的技术指导。这有助于推动氢气发动机在交通运输领域的广泛应用，特别是在需要兼顾高效率和低排放的场景中，如城市公交、物流运输和长途货运等。

值得注意的是，当前关于氢气发动机多参数协同优化的研究仍存在一定的局限性。大多数实验主要集中在单一工况下，缺乏对不同工况之间参数变化的系统性分析，这在一定程度上影响了研究结论的普适性。此外，对于λ、SOI和P_H2等关键参数之间的物理耦合机制，仍需进一步深入研究。特别是在超稀薄燃烧条件下，这些参数之间的相互作用更为复杂，需要通过更多的实验数据和理论模型来揭示其内在规律。

本文的研究填补了这一领域的空白，通过多参数实验，全面揭示了λ、SOI和P_H2对氢气发动机性能和排放的影响机制。实验结果表明，通过精准控制这些参数的协同关系，可以在不同工况下实现高效率和低排放的双重目标。这不仅为氢气发动机的优化设计提供了新的思路，也为未来的研究方向指明了路径。随着氢气发动机技术的不断发展，其在交通运输领域的应用前景将更加广阔。然而，要实现这一目标，仍需在理论研究和实验验证方面持续投入，以确保氢气发动机能够在实际运行中保持稳定性和高效性。

总的来说，本文通过系统的实验研究，揭示了氢气发动机中关键参数之间的协同作用机制，为实现高效率、低排放的燃烧过程提供了重要的技术基础。研究结果表明，超稀薄燃烧与喷油策略的精准耦合是提升氢气发动机性能的关键。同时，喷油时刻与喷射压力的联合优化在改善混合气质量、抑制爆震风险方面展现出显著优势。这些发现不仅有助于优化氢气发动机的控制策略，也为未来的氢能技术发展提供了宝贵的参考。随着研究的深入和技术的进步，氢气发动机有望成为实现碳中和目标的重要手段之一。