氢-柴油双燃料发动机的能量-?经济性-可持续性及燃烧特性研究

为应对化石燃料依赖和碳排放问题，研究人员通过氢-柴油双燃料模式（HES 0%-39.48%）开展CI（压缩点火）发动机的综合性研究。结果表明，32.34% HES时制动热效率（BTE）提升11.89%，HC、CO和烟尘排放降低，但NOx和CO2 增加；?分析显示22.43% HES时第二定律效率提升6.39%，可持续性指数（SI）达1.230-1.255。该研究为氢能替代化石燃料提供了技术经济性评估依据。

　　

全球范围内，化石燃料排放对环境和健康的危害促使各国制定严格法规。尽管压缩点火（CI）发动机因其高效性和可靠性在重型车辆中占据主导地位，但其高NOx和烟尘排放问题亟待解决。近年来，虽然混合动力和电动汽车快速发展，但高成本、材料纯度和重型车辆适用性等限制使其难以完全替代传统动力系统。在此背景下，氢能因其零碳特性和高热值（120 MJ/kg）成为研究热点，但纯氢发动机存在爆震和预燃等技术瓶颈。为此，研究人员探索氢-柴油双燃料模式，以最小化发动机改造实现高效低碳运行。

为系统评估氢能在CI发动机中的应用潜力，研究人员开展了一项综合性研究，涵盖燃烧特性、能量-?经济性、可持续性和环境经济分析。实验采用单缸水冷CRDI（共轨直喷）发动机，在1500 rpm恒定转速和4.2 bar BMEP（制动平均有效压力）全负荷条件下，通过PFI（进气道喷射）引入氢气，实现0%-39.48%的氢能份额（HES）。研究结合热力学第一、第二定律分析，量化了能量分配和?损失，并引入可持续性指数（SI）和环境经济指标评估综合效益。

关键技术方法包括：1）CRDI发动机改造与PFI氢喷射系统集成；2）基于气缸压力传感器和曲轴角度传感器的燃烧参数采集；3）能量-?平衡模型构建；4）排放检测（HC、CO、CO₂
、NOx）；5）环境经济成本核算。

研究结果

1. 燃烧特性：氢添加显著改善燃烧过程，CA05（5%燃料燃烧曲轴角）和CA10（10%燃料燃烧曲轴角）提前，燃烧持续时间缩短。39.48% HES时缸压峰值提升12.7%，但NOx排放因高温燃烧增加47%。
2. 性能与排放：32.34% HES时BTE达峰值（11.89%高于纯柴油），HC和CO分别降低63%和58%，但CO₂
   因燃烧效率提升增加9%。
3. 能量-?分析：22.43% HES时第二定律效率最高（较纯柴油提升6.39%），?损失主要来自热传递（占输入?的34.2%）和燃烧不可逆性（28.5%）。
4. 可持续性评估：SI范围为1.230-1.255，环境经济成本显示氢燃料的CO₂
   减排效益为0.12美元/km，但氢储存成本仍需优化。

结论与意义
该研究证实氢-柴油双燃料模式可显著提升CI发动机的能效和减排潜力，但NOx和成本问题仍需通过EGR（废气再循环）或喷射策略优化解决。从?角度揭示的能量损失机制为后续设计改进提供了方向，而SI和环境经济指标为政策制定者量化氢能替代效益提供了科学依据。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为重型车辆低碳化转型提供了关键技术支撑。