通过仿真设计并研究在氢燃料电池卡车中改装柴油发动机的效果

《International Journal of Hydrogen Energy》：Design and study of the effects of retrofitting diesel engines in hydrogen trucks through simulation

氢动力中型卡车改装及性能分析，优化配置使氮氧化物排放降低超90%，二氧化碳零排放，城市循环中能效提升9.4%，负载能力保持超9000kg，验证了现有柴油动力车辆氢燃料改造的可行性及经济性。

　　在当前全球气候变化日益严峻的背景下，交通运输领域正面临前所未有的监管与研究压力。由于交通运输所产生的排放对环境造成了严重负面影响，特别是在全球变暖的推动下，各国政府和科研机构都在积极寻求减少碳排放的有效解决方案。在这一过程中，内燃机（ICE）的改造与优化成为一项备受关注的研究方向。特别是针对中型柴油卡车的改造，使其能够使用氢燃料内燃机（H?-ICE），不仅有助于降低温室气体排放，还可能在保持现有车辆结构的基础上，实现更高效的能源利用。本文通过实验发动机数据和0D车辆模拟，对氢燃料内燃机的性能进行了评估，并分析了其在不同驾驶循环下的表现，旨在为未来城市物流运输提供可行的低碳技术路径。

随着全球对碳中和目标的追求，氢能源作为一种清洁、高效的替代燃料，正逐渐被应用于各种交通工具。氢燃料内燃机（H?-ICE）因其与传统内燃机相似的结构，被认为是现有车辆技术改造的一种理想选择。相较于完全电动化或燃料电池系统，H?-ICE在改造过程中只需更换部分关键部件，如燃料喷射系统、点火系统和进气系统，而无需对整车架构进行大规模调整。这种改造方式不仅降低了实施成本，还减少了从传统内燃机向新型动力系统过渡时可能遇到的障碍。此外，H?-ICE还能在现有基础设施的基础上运行，为城市物流运输提供了一种更具实际应用价值的低碳解决方案。

然而，氢燃料内燃机在实际应用中也面临一些挑战。其中，氮氧化物（NOx）排放是一个重要的问题，特别是在高负载条件下，NOx排放水平可能会显著上升。为了应对这一挑战，研究者们尝试通过优化发动机设计，如调整喷油时刻（SOI）、涡轮增压器的几何结构和运行压力、废气再循环（EGR）系统以及水喷射等技术手段，来降低NOx的排放。这些优化措施的实施不仅需要对发动机的工作原理有深入理解，还需要在实际运行条件下进行测试和验证，以确保其在不同工况下的稳定性和可靠性。

在本研究中，通过将现有的柴油发动机改造为氢燃料内燃机，并将其集成到一个中型货运卡车的模拟模型中，研究人员对不同驾驶循环下的能源消耗、污染物排放和载重能力进行了系统评估。实验结果表明，优化后的H?-ICE在减少NOx排放方面表现出色，其排放水平可降低超过90%，甚至低于400毫克/千瓦时。同时，这种改造方式能够完全消除燃料燃烧过程中产生的二氧化碳（CO?），在城市和复杂城市驾驶循环中，氢燃料内燃机的能源效率甚至比柴油发动机提高了9.4%。尽管优化后的H?-ICE在某些方面可能比原始柴油发动机略低一些，但其在高速公路驾驶循环中仍能保持超过9000公斤的载重能力，显示出其在实际运输中的适应性。

在城市物流运输中，车辆的运行环境通常较为复杂，包括频繁的启停、低速行驶以及高密度的交通状况。这些因素使得传统内燃机在城市环境中的排放问题尤为突出。相比之下，氢燃料内燃机在这些条件下表现出更好的排放控制能力，特别是在减少NOx和CO?方面。此外，氢燃料内燃机的运行成本也具有一定的竞争力，尽管氢气的储存和运输成本较高，但其在实际应用中可能通过减少燃料消耗和提高能源利用效率来弥补这一差距。

从工程角度来看，氢燃料内燃机的改造需要对发动机的多个关键部件进行调整。例如，传统的柴油发动机采用压缩点火技术，而氢燃料内燃机则需要改为火花点火技术。同时，燃料喷射方式也需要从直接喷射（DI）改为间接喷射（PFI），以适应氢气的燃烧特性。这些调整不仅影响发动机的性能，还可能对整车的动力系统和排放控制策略产生深远影响。因此，在改造过程中，需要对发动机的各个子系统进行细致的分析和优化，以确保其在不同驾驶循环下的稳定运行。

从环境角度来看，氢燃料内燃机的推广有助于减少交通运输对环境的负面影响。氢气作为一种清洁燃料，其燃烧过程中不会产生二氧化碳或其他有害气体，这使得H?-ICE成为一种理想的低碳运输解决方案。然而，氢气的储存和运输仍面临一定的挑战，特别是在安全性方面。因此，在实际应用中，需要对氢气的储存系统进行优化，以确保其在各种工况下的安全性和可靠性。此外，氢气的生产方式也会影响其整体的碳足迹，例如通过蒸汽甲烷重整（SMR）或其他低碳技术生产氢气，可以进一步降低整个运输过程的环境影响。

从经济角度来看，氢燃料内燃机的改造成本相对较低，尤其是在现有车辆结构的基础上进行改造。相较于完全电动化或燃料电池系统，H?-ICE的改造不需要对整车进行大规模重新设计，这大大降低了实施成本。此外，氢燃料内燃机的维护成本也相对较低，因为它可以利用现有的维修和保养体系，从而减少对新技术和新设备的依赖。这些因素使得H?-ICE成为一种更具经济可行性的低碳解决方案，特别是在城市物流运输中，其能够有效减少运营成本，同时保持较高的载重能力和能源效率。

从技术角度来看，氢燃料内燃机的开发和应用需要对发动机的工作原理进行深入研究。氢气的燃烧特性与传统柴油和汽油不同，因此在发动机设计上需要进行相应的调整。例如，氢气的燃点较低，燃烧速度较快，这使得其在发动机运行过程中需要更精确的控制策略。此外，氢气的燃烧过程会产生更多的热量，这需要对冷却系统进行优化，以确保发动机在各种工况下的正常运行。这些技术挑战使得H?-ICE的开发和应用需要更多的研究和试验，以确保其在实际运输中的可靠性和经济性。

从政策角度来看，各国政府正在积极推动氢能源在交通运输领域的应用。例如，欧洲联盟（EU）已经制定了相关政策，旨在实现气候中和和可持续发展目标。这些政策不仅包括对传统内燃机的限制，还鼓励对新型低碳技术的开发和应用。氢燃料内燃机作为一项可行的替代技术，正受到越来越多的关注。然而，政策的制定和实施需要考虑到技术的成熟度、经济性以及基础设施的建设情况，以确保其在实际应用中的可行性。

综上所述，氢燃料内燃机作为一种替代动力解决方案，在减少交通运输排放方面展现出巨大的潜力。通过将现有的柴油发动机改造为氢燃料内燃机，并将其集成到中型货运卡车的模拟模型中，研究人员对不同驾驶循环下的性能进行了评估。实验结果表明，H?-ICE在减少NOx和CO?排放方面表现出色，同时在能源效率和载重能力方面也具有一定的优势。尽管在某些方面可能存在一定的技术挑战，但H?-ICE的改造和应用为城市物流运输提供了一种可行的低碳解决方案，具有重要的现实意义和应用前景。