氢气辅助汽油 - 丁醇燃料点燃式发动机的能量、?和可持续性分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Energy, exergy, and sustainability analysis of a hydrogen-assisted gasoline-butanol-fueled SI engine

　　

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  在各种测试条件下，H₂的能量份额介于8.34%至8.95%之间。
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  余热损失是汽油机中主要的能量损失途径。
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  ?损大约占燃料?的65-75%。
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  GB30H₂-3.2在1200 rpm时取得了最高的η_I和η_II。
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  GB30H₂-2.8在1200 rpm时取得了最高的MPI值0.243。

引言

全球能源需求的持续增长、日益严格的排放法规以及气候变化方面的担忧，加速了对低碳和可持续交通燃料的探索。内燃机（ICE）在交通运输和发电领域仍然发挥着重要作用。然而，内燃机对化石燃料的依赖导致了温室气体排放及其相关的环境影响。因此，大量研究集中在替代燃料上[1,2]。乙醇、甲醇和丁醇等含氧燃料，以及氢气、沼气和生物CNG等气体燃料，均被认为是传统石油燃料的有前景的替代品。这些燃料可以部分替代化石燃料，并有望减少碳排放和对石油资源的依赖[3,4]。然而，其实际应用取决于燃料特性、发动机配置、储存和供应要求以及运行条件。

在醇类燃料中，丁醇因其相对较高的能量密度、较低的吸湿性和与汽油的良好兼容性，作为汽油调和组分受到了广泛关注。其含氧量有助于实现更完全的燃烧，尽管热值和燃烧特性的变化可能影响发动机性能和排放[5,6]。氢气与汽油-丁醇混合燃料联用时可提供额外优势，这得益于其较高的火焰传播速度、宽的可燃范围和较低的点火能。氢气补充可以改善火焰传播和燃烧特性，尤其是对于含氧汽油混合燃料[7,8]。

氢气可以通过多种喷射技术供给发动机，如进气道喷射，即将燃料引入进气歧管以获得均质混合气；以及直接喷射，即以高压直接将燃料喷入气缸。这些方法各有优劣。直接喷射方法可以在保持优异充量效率的同时增强功率输出并减少反冲。此外，该方法需要辅助增压装置[9,10]。当氢气与传统燃料一同供给内燃机时，可以改善燃烧稳定性，增强火焰传播，减少不完全燃烧损失，并可能提高整体热效率[11]。多项研究表明，传统燃料中添加氢气可降低一氧化碳（CO）和未燃碳氢化合物（HC）等碳基排放。然而，由于气缸温度升高，氮氧化物（NOx）排放可能会增加[[12], [13], [14]]。这种权衡凸显了进行全面的热环境评估的必要性，而不仅仅依赖于传统效率指标。

传统发动机性能评估主要基于能量效率指标。第一定律分析通过考虑有用功和各种能量损失来衡量发动机的总能量平衡，特别是向气缸壁的热传递。然而，它仅考虑能量的数量，无法表征其质量或燃烧和传热过程中产生的不可逆性[15]。因此，大量研究基于热力学第二定律考察了?分析。?分析补充了能量平衡，通过识别能量中的有用部分以及与不可逆性相关的损失。在发动机中，这些损失主要源于燃烧、传热和其他热力学过程。因此，?分析有助于定位主要的低效来源，并为评估发动机性能的可能改进提供更佳基础[15,16]。

环境性能评估应与能量和?分析一同纳入，作为开发可持续发动机的关键。排放参数（CO、HC、NOx和CO₂）代表了多种环境和健康效应，包括光化学烟雾的形成和温室效应[17]。在不同运行条件下，对环境性能进行多维比较、归一化并整合为单一环境指数（EI）。可持续能源研究的近期趋势强调综合评估框架，将环境和热力学指标整合为单一决策方法。多准则性能指数（MPI）提供了一种评估热力学效率与排放特性之间权衡的手段。

近期研究聚焦于通过联合能量-?和可持续性评估来提高能源系统的热力学效率并减少环境影响。Maghsoudizadeh等人[17]对铜闪速熔炼过程进行了4E评估，表明余热回收和氢气-天然气混合可提高?效率并降低排放。他们进一步使用NSGA-II确定了考虑多目标的最优运行条件。

已在内燃机中研究氢气富集对改善燃烧和限制不完全燃烧排放的作用。Kumbhar等人[18]研究了汽油-乙醇混合燃料中添加氢气的汽油机，报道E10H5与汽油相比BTE提高了18%，且在2500 rpm时排气能量回收性能得到改善。他们的能量、?、熵产和可持续性分析进一步证明了添加氢气的热力学优势。Verma等人[19]研究了生物柴油燃料双燃料CI发动机中添加氢气的沼气，观察到?效率更高且CO和HC排放降低。实验测试和CFD建模也被用于研究不同发动机负载下氢气喷射的影响。Saxena等人[20]研究了合成气燃料的HCCI燃烧，并量化了燃料能量分配至物理?和化学?的情况。

近期实验研究还考察了汽油机中新型氢载体和增强燃料混合物的应用。Yakin等人[21]研究了富含氢气的甲基胺硼烷（MAB）燃料混合物，确定5%的添加剂比例可产生最高的?效率和可持续性指数，同时将熵产降至最低。类似地，Qiao等人[22]考察了稀燃天然气汽油机中氢气补充与废气再循环的协同效应。他们报道氢气富集增强了燃烧强度，但需要对NOx排放进行适当控制。Ayad等人[23]对稀燃条件下氢气富集的增压乙醇发动机进行了?和?经济分析。他们观察到?效率可提高约30%，同时减少整体系统损失。Bayramoglu等人[24]考察了CI发动机中氢气富集的生物柴油-柴油混合燃料。他们报道?损随着发动机负载的增加显著降低。Rajpoot等人[25]对螺旋藻生物柴油混合物进行了全面的能量-?-排放评估。他们报道与基线传统柴油燃料相比，可持续性指标得到改善，排放降低。

尽管近期在氢气辅助和醇-汽油燃料发动机方面取得了进展，但以往研究主要分别考察燃烧、性能、排放和热力学特性。相比之下，对氢气辅助汽油-丁醇汽油机的综合热力学与环境评估关注较少。此外，仅靠能量效率和?效率可能无法识别合适的运行条件，因为热力学性能改善的同时可能伴随不利的排放行为。本研究采用GB30（体积比70%汽油和30%丁醇），在不同速度-负载运行条件（1200至1800 rpm之间）下，氢气喷射时间为1.6-3.2 ms。点火正时保持在34° BTDC。该评估将第一和第二定律分析与基于排放的环境评估、可持续性指数（SI）和多准则性能指数（MPI）相结合。同时还考察了MPI排名对不同排放加权情景的敏感性。该框架使得能够将热力学-?性能最高的条件与提供更优整体效率-排放权衡的条件区分开来。

章节摘录

材料与方法

在不同氢气喷射时间和发动机转速-负载条件下，对氢气辅助汽油-丁醇（GB30）燃料单缸汽油机的性能和排放特性进行了实验研究。实验数据随后用于综合能量、?、排放和环境评估，以评估所考察运行条件的热环境行为。

能量分析

从总燃料能量输入、制动功、排气能量和余热损失等方面对氢气辅助GB30汽油机的能量平衡进行了评估。图3(a)比较了所考察转速-负载和氢气喷射条件下这些能量分量，图3(b)使用桑基图展示了相应的能量流动分布。在所有考察条件下，包括GB30和H₂贡献在内的总燃料能量输入变化范围为14.23至

结论

对所考察转速-负载条件下，氢气喷射时间为1.6-3.2 ms、发动机转速为1200-1800 rpm的氢气辅助GB30燃料汽油机进行了全面的热环境评估。通过评估能量、?、排放、环境指数（EI）、可持续性指数（SI）和多准则性能指数（MPI），表征了热力学和环境性能，并在所考察

CRediT作者贡献声明

Aqueel Ahmad：撰写——初稿、验证、软件、方法论、形式分析、概念化。Ashok Kumar Yadav：撰写——审稿与编辑、监督、资源、资金获取。R. Thirumaleswara Naik：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论。Mukesh Yadav：撰写——审稿与编辑、可视化、调查、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

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