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为应对 “双碳” 目标，解决氢发动机应用难题，研究人员对氢柴油双燃料直喷转子发动机展开研究。通过多种手段，发现气液双燃料直喷可实现分层分布，优化方案能提升性能。该研究为气液转子发动机设计提供依据，助力氢能利用。
在当今时代，能源与环境问题如同一把高悬的达摩克利斯之剑，时刻警示着人类。随着化石能源的日益枯竭，温室效应愈发严重，全球都在急切地寻找可持续发展的能源新路径。汽车尾气、工厂废气排放等让天空不再湛蓝，环境压力与日俱增。内燃机作为陆地和海洋运输的主要动力源，在碳排放中占据重要份额。在这样的大背景下，“碳达峰、碳中和” 目标成为全球能源转型的灯塔，零碳燃料在内燃机中的应用研究变得至关重要。
氢，作为一种清洁、可再生且碳中和的气体燃料，被视为未来内燃机的终极燃料。它燃烧时不会产生二氧化碳（
CO2）—— 传统碳基燃料燃烧排放的主要温室气体，这使得氢发动机在减少尾气污染和碳排放方面潜力巨大。然而，理想很丰满，现实却很骨感。纯氢燃料发动机面临着燃烧剧烈、氮氧化物（
NOx）排放高等问题。于是，研究人员将目光投向氢混合双燃料技术，氢在柴油发动机中的应用也成为热门研究领域。
在往复式发动机的研究方面，不少科研成果已经涌现。关于氢混合比例，有研究发现特定氢流量下发动机的一氧化碳（
CO）、
CO2和烟度会降低；增加氢能量比能提升发动机热效率，减少
CO2和
CO排放，但
NOx排放会增加。在氢喷射策略上，不同的喷射时机对混合气状态和燃烧模式影响很大，提前喷射能提升指示平均有效压力（IMEP）、降低
CO2排放，却也会让
NOx排放上升。此外，优化发动机参数也能改善性能和排放。
转子发动机，作为内燃机家族中的特殊一员，有着高转速和高功率重量比的优势，在航空动力领域，尤其是军事无人机以及民用混合动力汽车的增程器方面大显身手。不过，在氢柴油双燃料燃烧技术的研究上，它却一直处于 “无人问津” 的状态。虽然有一些关于氢与其他燃料混合的研究，但针对氢柴油双燃料的研究还是一片空白。而且，转子发动机燃烧室狭窄、面积体积比高，其缸内流动和燃烧过程分别呈现高速单向流动和火焰正向传播的特点，这些都可能导致火焰传播时熄灭。同时，由于压缩比低，它还需要辅助点火装置，当前对其高压喷射模式的研究也较少。
为了填补这一研究空白，国内研究人员挺身而出，开展了氢柴油双燃料在转子发动机中应用的研究。他们首次提出将氢柴油双燃料联合燃烧技术应用于转子发动机，通过设计不同的氢喷射位置改变氢混合模式，深入探究双燃料喷射过程和缸内组合燃烧规律，致力于找到优化的氢喷射方案，为气液转子发动机的设计和应用提供基础数据和新思路。该研究成果发表在《Fuel》杂志上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是参数建模，通过建立精确的模型来模拟发动机的运行状态；其次是自编控制程序，实现对实验过程的精准控制；同时运用化学反应动力学计算，深入分析燃烧过程中的化学反应；此外，还借助计算流体动力学（CFD）手段，直观呈现缸内的流动和燃烧过程。
在研究结果方面：
- 几何模型和氢喷射方案：氢柴油转子发动机的进气和排气方式均为周边式，采用单个柴油和氢喷嘴供应双燃料，工作时需要额外的辅助点火装置（辅助火花塞），其火花球半径 75mm，点火能量 20mJ，火花持续时间 1ms，辅助点火起始时刻（SOAI）为上止点前 35°。
- 混合气形成过程：在双燃料直喷模式下，分析狭窄燃烧室内的双燃料喷射和混合过程，能掌握气液混合气的分层规律。研究发现采用气液双燃料直喷方式可同时实现柴油和氢的分层分布，燃烧室内可燃混合气形成明显的 “气包油” 现象。柴油在前中腔区域分布呈现前浓后稀的特点，而氢在中后腔区域的浓度分布规律则相反。
- 优化方案及性能提升：研究表明，氢下置直喷且气嘴位置低于气缸中心线 50mm（Case - HLDI）为优化应用方案。与无氢混合模式（Case - NHI）和氢进气口混合模式（Case - HPI）相比，该方案的最高峰值压力分别提高了 12.8% 和 11.3%，燃烧速率也分别加快了 43.9% 和 17.9% 。
研究结论表明，该研究首次提出了适用于转子发动机的氢柴油联合燃烧技术，并借助 CFD 手段直观展示了缸内流动和燃烧过程，初步探究了双燃料直喷结合火花辅助点火模式下氢柴油转子发动机的混合气分层和燃烧特性。不同氢喷嘴位置和氢混合模式对发动机性能影响显著，找到了优化的氢喷射方案。
这一研究意义重大。它不仅填补了氢柴油双燃料在转子发动机应用研究领域的空白，还为气液转子发动机的设计和应用提供了关键的数据支持和全新的设计思路。在全球积极推动 “双碳” 目标实现的当下，该研究成果有助于促进氢能在发动机领域的多元化利用，为内燃机行业的绿色转型注入了新的活力，有望推动相关技术的进一步发展和应用，在减少碳排放、缓解能源危机和改善环境质量等方面发挥重要作用。
