氢燃料内燃机在道路运输中的温室气体排放评估数值方法及其减排潜力研究

为解决氢燃料内燃机(HICE)在道路运输中的实际环境效益量化问题，研究人员通过数值模拟方法构建了从单缸燃烧模型到整车驱动的多尺度分析框架，优化了空燃稀释比(λ)以平衡NOx排放与燃油经济性(BSFC)。结果表明，NOx优先优化策略可实现97%的减排(17 mg/km)且仅损失2.7%的燃料效率，结合全生命周期(WTW)分析证实HICE在2050年可实现负碳排放。该研究为氢能交通的碳足迹评估提供了创新方法论。

　　

在全球交通领域贡献12%温室气体排放的背景下，氢燃料内燃机(HICE)因其可通过现有内燃机改造实现快速脱碳而备受关注。然而，当前研究缺乏对氢燃料车辆全生命周期排放的精准评估，特别是对关键污染物NO_x与燃料经济性的权衡机制认识不足。这些问题严重制约了氢能交通技术的商业化决策和政策制定。

为解决这一科学难题，来自 Universitat Politècnica de València 的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了创新性研究。该工作建立了包含燃烧模型开发、多缸发动机优化、整车仿真和全生命周期分析的完整评估链条。通过将人工神经网络(ANN)与相干火焰模型结合，首次实现了氢燃烧特性的高精度预测；采用NSGA-III算法对16个工况点的空燃稀释比进行双目标优化；结合真实驾驶循环模拟，最终量化了不同氢生产路径下的减排潜力。

关键技术方法包括：1)基于单缸发动机(SCE)实验数据校准的氢燃烧模型，整合了扩展Zeldovich机理的NO_x子模型；2)将1.3L涡轮增压汽油机改造为氢直喷多缸发动机(MCE)，通过20%的涡轮缩比和排气歧管隔热实现性能匹配；3)基于GT-SUITE构建1500 kg运动型多用途车(SUV)的0D模型，输入优化后的发动机图谱；4)采用欧盟电解主导和蒸汽甲烷重整(SMR)主导两种情景预测2020-205年排放趋势。

3.1 MCE优化
通过λ值扫描发现，在λ=2基准工况下，BSFC和NO_x排放呈现相反的变化趋势：最低BSFC出现在2000 rpm/24 bar BMEP工况(3.5 mg/kWh)，而NO_x峰值达11.3 mg/kWh。优化策略对比显示，NO_x优先方案在高负荷区采用λ>3的极端稀释，使NO_x降幅达97%，仅牺牲2.7%的燃油经济性，显著优于单纯追求BSFC优化的方案。

3.2 真实驾驶循环模拟
基于西班牙瓦伦西亚35 km真实路况的仿真表明，"NO_x优化"策略可将排放控制在17 mg/km水平，高速公路段差异尤为显著。该方案燃料消耗率为0.526 kWh/km，与文献报道的氢燃料车数据高度吻合，验证了模型的可靠性。

3.3 油井到油箱(WTW)排放
考虑150,000 km生命周期，电解主导情景在2040年前更具减排优势，而SMR情景在2050年因生物质掺混可能实现负排放(-0.2 kg CO₂/kWh)。不确定性分析显示，天然气中生物质比例波动可造成30%的排放差异。

3.4 油井到车轮(WTW)排放
全周期核算证实，采用"NO_x优化"策略的HICE车辆在两种氢生产路径下，2050年均可实现负碳排放。这主要得益于：1)发动机无需后处理装置降低生产排放；2)生物质氢的碳封存效应；3)空燃稀释优化带来的协同效益。

该研究的突破性在于建立了氢内燃机从微观燃烧到宏观环境影响的完整评价体系。通过创新性地将燃烧模型与生命周期分析结合，首次量化了氢燃料ICE在不同能源转型路径下的真实减排潜力。研究结果对汽车制造商明确技术路线具有指导价值：在保持现有内燃机架构的前提下，通过λ值智能控制即可同时满足近零排放和高效燃烧要求。政策制定者可依据该模型，科学规划氢基础设施建设和碳交易机制。未来研究可拓展至重型车辆和混合动力系统，进一步挖掘氢内燃机在交通脱碳中的战略价值。