海洋中速发动机中的氢-柴油双燃料燃烧：在高氢替代比例下通过直接注水抑制爆震现象

《International Journal of Hydrogen Energy》：Hydrogen–diesel dual-fuel combustion in marine medium-speed engines: Knocking suppression by direct water injection at high hydrogen substitution ratios

氢燃料双工喷注中内缸直喷水抑制爆震及性能优化研究。摘要：针对船用柴油发动机氢替代率受限问题，采用内缸直喷水策略，在90%-95%氢替代率下实现无爆震燃烧，热效率提升1.43%-1.39%，NOx排放降低6.01%-6.45g/kWh，最佳参数为1.5水/燃料比、-100°CA注射时序。分隔符：

　　在当前全球能源转型和环境保护的背景下，氢气作为一种零碳排放的替代燃料，被广泛认为是实现航运领域碳中和目标的重要手段。然而，氢气在船舶发动机中的应用面临一定的技术挑战，其中最显著的问题是其燃烧过程中产生的爆震现象，这限制了氢气在燃料中的替代比例。为了克服这一障碍，研究者提出了一种通过缸内直接喷水（in-cylinder direct water injection）来抑制爆震的新策略，从而提高氢气的替代比例，同时维持较高的热效率和较低的排放水平。本文通过数值模拟和实验分析，系统地探讨了该策略在氢-柴油双燃料船舶发动机中的可行性，并提出了优化的喷水控制参数。

氢气具有较高的燃烧速度和快速的热量释放特性，这使得其在高替代比例下的燃烧过程更加剧烈，容易引发爆震现象。爆震不仅会影响发动机的运行稳定性，还会对机械部件造成额外的应力，降低发动机寿命。因此，如何有效抑制爆震成为氢气替代燃料技术推广的关键问题之一。缸内直接喷水技术通过在燃烧过程中引入水，一方面可以吸收部分热量，降低燃烧温度，另一方面还能通过雾化作用改善燃料与空气的混合均匀性，从而抑制爆震的发生。该方法在柴油机中已有一定应用，但在氢-柴油双燃料发动机中尚缺乏系统研究，尤其是在高氢气替代比例（如90%和95%）下的效果。

本文构建了一个基于CONVERGE和GT-Power的数值模型，模拟了氢-柴油双燃料发动机的燃烧过程和排放特性。通过该模型，研究者对不同氢气替代比例（HSR）和喷水控制参数（如喷水时机和水油比）进行了系统分析。研究发现，在没有喷水的情况下，氢气的替代比例受到爆震的显著限制，最大可实现的稳定燃烧氢气比例约为30%。此时，虽然热效率有所提升，但氮氧化物（NOx）排放却增加了。然而，当采用缸内直接喷水策略时，发动机能够在90%和95%的高氢气替代比例下实现稳定的燃烧，同时有效抑制爆震。通过优化喷水时机和水油比，研究者在特定条件下实现了热效率的提升和NOx排放的显著降低。例如，在水油比为1.5、喷水时机为-100°CA（曲轴角度）的情况下，热效率分别提升了1.43%和1.39%，而NOx排放分别减少了6.01g/kWh和6.45g/kWh。这些结果表明，缸内直接喷水是一种有效的策略，能够同时提高氢气替代比例和发动机的运行效率，同时降低排放。

研究还发现，氢气替代比例的增加对发动机性能和排放具有复杂的影响。一方面，氢气的引入可以显著提升热效率，这主要是由于其高能量密度和快速燃烧特性。然而，随着氢气比例的增加，燃烧温度也会升高，导致NOx排放的增加。为了平衡这一矛盾，喷水策略成为关键。喷水时机和水油比的选择直接影响燃烧过程的热释放速率和温度分布，进而影响爆震的发生概率和排放水平。研究结果表明，喷水时机和水油比的合理控制可以显著改善燃烧稳定性，同时减少有害排放。

在实际应用中，喷水技术需要考虑到多种因素，包括喷水的时机、喷水的量以及喷水与柴油喷射的协同作用。研究表明，喷水时机在-130°CA到-70°CA之间可以达到最佳的爆震抑制效果，同时保证较高的热效率。过早的喷水会导致水在压缩行程中过早蒸发，从而影响氢气的燃烧特性，而过晚的喷水则可能导致水分布不均，无法充分发挥其冷却和混合改善的作用。因此，喷水时机的选择必须结合燃烧过程的动态变化，以实现最佳的控制效果。

此外，水油比的增加虽然有助于进一步降低燃烧温度和NOx排放，但同时也可能对热效率产生负面影响。这是因为水的蒸发会吸收部分热量，从而降低燃烧室内的温度，影响燃烧效率。因此，水油比的优化需要在抑制爆震和维持热效率之间取得平衡。在本文的研究中，水油比为1.5时，能够实现较为理想的热效率和排放控制，而更高的水油比虽然能进一步降低NOx排放，但会导致热效率的下降。

总体来看，氢-柴油双燃料发动机在应用缸内直接喷水技术后，能够在高氢气替代比例下实现稳定的燃烧，同时保持较高的热效率和较低的排放水平。这一技术为实现航运领域的碳中和目标提供了可行的解决方案。然而，研究也指出，目前的模拟和实验主要基于理想化的假设，例如燃烧室内氢气与空气的均匀混合，而实际发动机中可能存在氢气分布不均的情况。因此，未来的研究需要进一步考虑氢气的分层效应和不均匀分布对燃烧过程的影响，以提高模型的准确性和应用的广泛性。

在船舶动力系统向低碳化转型的过程中，氢气作为替代燃料的潜力得到了广泛认可。然而，其在发动机中的应用仍面临诸多挑战，包括燃烧特性的不稳定性、爆震风险以及成本和技术可行性。缸内直接喷水技术为这些问题提供了一种有效的解决路径，其通过精准控制喷水时机和水油比，能够显著提升氢气替代比例，同时改善燃烧效率和排放特性。这不仅有助于降低航运行业的碳排放，也为实现净零碳排放目标提供了技术支撑。然而，该技术的进一步推广仍需克服制造、控制和维护方面的挑战，尤其是在大规模应用时需要考虑经济性和可持续性。

未来的研究方向可以包括对喷水技术在不同发动机类型中的应用效果进行更全面的评估，同时探索更高效的喷水策略和控制方法。此外，还需要结合实际船舶运行条件，对喷水技术的适应性进行深入研究。例如，不同负载、不同工况下的喷水效果，以及喷水对发动机寿命和维护成本的影响。这些研究将有助于推动氢-柴油双燃料发动机在实际应用中的可行性，为航运行业的可持续发展提供更加坚实的理论和技术基础。