直喷式氢内燃机中提升混合气均匀性的喷帽设计优化

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Optimization of nozzle cap designs for enhancing mixture homogeneity in a direct-injection hydrogen marine engine

　　

• 针对大型缸径直喷氢燃料海洋发动机的喷嘴帽进行了优化。• 对于同向旋流喷嘴帽的性能而言，喷射直线性比孔数更为关键。• 非旋流喷嘴帽通过确保更大的气油混合区域，提供了更优的空燃比均匀性（UI）。• 优化后的5孔非旋流喷嘴帽减轻了相互干扰，避免了射流塌缩。• 所提出的设计在不使用喷嘴帽的基准条件下，空燃比均匀性（UI）提升了147%。

引言

为应对全球变暖和不断恶化的气候状况，全球范围内针对温室气体（GHG）减排和排放控制的法规要求已显著趋严[1]、[2]、[3]。因此，减少交通运输领域——高度依赖内燃机——的温室气体和污染物排放已成为关键优先事项。尽管道路移动源通过严格的法规框架[4]、[5]、[6]和快速电动化取得了显著进展，但作为非道路源主要组成部分的海运领域，在采用电力推进方面仍面临重大障碍。因此，内燃机仍然是海运行业推进系统的核心技术。随之而来的是，通过执行相关法规框架来大幅降低排放的要求也在不断推进。虽然国际海事组织（IMO）最初在2018年战略中设定了相对于2008年水平降低50%的2050年温室气体减排目标，但迅速恶化的气候状况促使这些目标在2023年大幅升级[7]。新通过的2023年IMO温室气体战略设定了更为严格的指示性检查点，要求到2030年和2040年分别相对于2008年水平实现20%和70%的减排，最终目标是在2050年实现温室气体净零排放。作为中期措施（2023–2030）的一部分，超额完成排放目标将获得盈余单位（SU），而未能达标则需要支付费用以获取一级补救单位（RU）。此外，如果连2018年设定的基准目标都无法达到，则必须使用涉及更高费用的二级RU[8]。

为加速温室气体减排，欧盟委员会（EC）作为"适合55%"立法框架的关键组成部分，将海运领域纳入了欧盟（EU）排放交易体系（ETS）[9]。自2024年1月1日起，所有进入欧洲经济区（EEA）港口的5000总吨及以上的船舶——无论其船旗国——均须购买并清缴与其年度温室气体排放量成比例的配额，具体依据欧盟监测、报告和核实（MRV）系统记录的数据。当前法规主要针对二氧化碳（CO?），但自2026年起，范围将扩大至包括甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O）。不遵守这些指令可能导致巨额罚款或被禁止进入EEA港口。最终，这些日趋严格的地区性法规要求转向碳减排潜力高达100%的替代燃料，以确保合规并实现长期脱碳目标。

为实现净零目标，替代燃料策略的长期路径最终将汇聚于氢燃料发动机的商业化[10]、[11]。这些动力系统相比传统内燃机具有更高的热效率[12]、[13]，同时在理论上仅产生水作为燃烧副产物[14]。然而，氢燃料发动机的广泛实施主要受到储运技术瓶颈的制约[15]、[16]。为最大化能量密度，氢气通常通过20 K的低温液化或70 MPa的超高压压缩进行储存[17]。但由于维持氢气液态状态面临重大的技术和基础设施限制，研究日益转向气态氢气的应用。

诚然，由于这些固有挑战，甲醇和氨目前作为中期替代燃料在海运领域受到高度关注。甲醇受益于成熟的加注基础设施和常温下易于液态储存的特性，而氨由于其高体积氢含量和易于运输的特性，作为高效的氢载体同样受到重视。然而，由于甲醇本身含有碳，且氨燃烧存在燃料型氮氧化物、强效N?O排放和氨逃逸等严重缺陷，从严格的应对气候和环境角度来看，纯氢仍具有明显优势。尽管氢气的储运基础设施仍处于发展阶段，但氢动力发动机的研究正在与这些领域同步稳健推进[18]。目前，这些发动机实际应用面临的最重大技术障碍仍然是异常燃烧现象的普遍存在。氢气的可燃极限范围广、火焰传播速度快，如表1所示。尽管其自燃温度较高，但其极低的点燃能量经常引发燃烧不稳定，在发动机运行过程中存在显著的早燃和爆震风险[19]。

在燃油供给策略方面，进气道喷射（PFI）由于气体回流至进气歧管而具有较高的倒火风险[28]，并且由于氢气占据较大体积而导致容积效率降低[29]。为克服这些缺点，直喷（DI）方式被广泛采用，因为它通过在气门关闭后注入燃油来防止倒火[30]，并通过确保更高的容积效率来提升功率密度。然而，DI方法受限于混合形成时间不足，这有利于局部富油混合物的形成[31]。这种空间不均匀性不仅提高了异常燃烧的概率[32]，还通过局部富油区域的高温燃烧促进了氮氧化物（NOx）的生成[33]。为减轻异常燃烧，研究已聚焦于将稀薄燃烧策略应用于氢直喷系统[33]、[34]、[35]。尽管如此，直喷的本质特性要求进一步提升混合均匀性。此外，采用外开式气门设计以承受压缩压力并确保密封完整性，也对混合改善策略构成限制。为满足这些需求和约束，喷嘴帽的使用已在一项项研究中进行调查[32]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]。

Takagi等人[42]研究了一台配备喷嘴帽的单缸氢直喷火花点火（SI）发动机，其中喷射轨迹通过优化喷嘴孔配置来控制。在100 bar的高压直喷（HPDI）条件下，研究表明防止射流-壁面撞击可最小化近壁燃烧及随后的热损失。此外，减小喷嘴直径增强了空气夹卷，从而改善了混合均匀性并降低了NOx排放。通过使用极稀混合气（λ = 3–4）和迟后喷射，配合特定喷嘴参数（35°夹角、0.6 mm直径），NOx水平被降低至10 ppm以下。然而，这种迟后喷射正时在低压（LPDI）或中压直喷（MPDI）系统中是不切实际的，因为在较低压力下无法确保所需的燃油流量。

Yeganeh等人[44]在定容燃烧室（CVC）中通过改变喷嘴帽孔数研究了25 bar MPDI条件下的氢射流特性。其研究表明，单孔配置的射流穿透速度最快，其次是五孔和双孔布置。在五孔配置中，由于射流间相互干扰导致射流塌缩，其行为类似于单孔射流。相反，双孔配置表现出更优的射流分离和径向扩展，实现了最高的燃油-空气混合均匀性。然而，由于这些结果是在静止的CVC条件下获得的，缸内气流与氢射流之间的相互作用可能导致实际发动机环境中出现不同的结果。

Akar等人[37]利用一维和三维模拟评估了活塞几何形状、喷嘴帽朝向和孔径对一台配备单孔喷嘴帽的13 L氢MPDI发动机（50 bar）混合形成效果的影响。结果表明，下凹活塞缸碗通过保持滚流强度改善了混合均匀性。此外，减小喷嘴孔径通过增加射流动量增强了油气混合。研究还显示，在没有旋流或喷射方向与旋流不对齐的情况下，混合均匀性优于旋流对齐的情况。

Bucherer等人[36]使用实验和数值方法对不同喷嘴帽配置下的燃烧性能和混合均匀性进行了对比分析。其研究使用一台2.2 L单缸氢MPDI发动机（25 bar）评估了单孔和四孔喷嘴帽。实验空燃比极限基于爆震准则建立。虽然在喷油正时为曲轴上止点前180°时，两种喷嘴类型的空燃比极限相似，但将喷油推迟至曲轴上止点前120°时，四孔喷嘴帽实现了更低的空燃比极限。数值模拟进一步揭示，在相同条件下，四孔设计比单孔版本提供了更均匀的空燃比分布。此外，在喷嘴帽内的混合物中，单孔配置（具有较大的孔径）显示更为富油。

Scalambro等人[40]评估了喷油正时、喷嘴帽孔口目标和进气道布置对氢MPDI发动机混合均匀性的影响。虽然喷嘴帽的垂直朝向带来了边际改善，但通过提前喷油正时并修改进气道布置来抑制旋流，实现了均匀性的显著提升。

以下表2总结了关于氢喷嘴帽配置的代表性研究。

尽管进行了大量研究，但针对超过200 mm缸径的大型发动机的研究仍然稀疏。在较小气缸中观察到的混合特性在较大尺度下可能因大型喷射器特有的气门尺寸和质量流量差异而显著不同。此外，即使使用相同的喷射器和喷嘴帽规格，更大气缸截然不同的空间约束也会显著改变燃油射流与缸内环境之间的相互作用。而且，需要全面分析氢射流与缸内气流之间复杂的相互作用，这些相互作用受喷嘴帽孔数、角度和朝向的协同效应控制。考虑到涉及大型海洋发动机的实验成本高昂且物流复杂，数值模拟作为物理测试前的必要初步步骤至关重要。

因此，本研究采用三维计算流体力学（CFD）分析喷嘴帽的效果，并进行旨在改善大型MPDI氢海洋发动机混合均匀性以抑制异常燃烧的优化。首先，通过改变喷嘴帽孔数及其各自角度比较了混合均匀性。随后，使用产生最高均匀性的配置，进一步调整喷嘴帽和喷射器的朝向进行比较。最后，在选定的瞄准条件下进一步优化喷嘴帽设计，并结合前述分析步骤得出的见解。

段落摘要
计算模型
在本研究中，我们使用CONVERGE v3.1 CFD软件进行流动模拟。计算域表示四冲程MPDI氢海洋发动机的单缸。为评估混合形成性能，模拟区间从排气冲程开始，并纳入了进气门运动的动力学特性。采用了7 mm的基础网格尺寸，并使用自适应网格细化（AMR）捕捉陡峭的速度梯度。关于发动机的

模拟模型验证
在研究喷嘴帽应用对氢MPDI发动机混合均匀性影响之前，通过将预测的氢射流行为与此前文献中CVC的实验结果进行对比来验证模拟模型[43]，因为其实验喷射器几何形状可以在我们的数值设置中精确再现。参考文献中所述的宏观喷雾行为通过阴影成像技术捕捉，如图6所示。

模拟模型为

局限性与未来工作
虽然本研究为氢发动机喷嘴帽的气动优化提供了有价值的见解，但必须承认存在若干局限性。首先，当前调查是在单一工况下进行的，仅依靠非反应模拟，未纳入燃烧模型。因此，尽管结果表明改善混合均匀性在理论上可抑制异常燃烧，但直接验证这种增强混合如何直接影响……

结论
在本研究中，进行了三维CFD流动模拟以分析在直喷氢海洋发动机中应用喷嘴帽对改善混合均匀性的效果。模拟模型已根据先前文献中的氢射流可视化结果进行了验证。随后，构建了缸径超过300 mm的大型海洋发动机几何形状的模拟域，并在各种喷嘴帽……下比较了氢混合物的行为和均匀性。

知情同意与患者详情
所有参与者或其法定代表均已书面同意参与本研究并发表本文。

参与者的隐私权得到了尊重。本研究在研究开展地的相关法律、法规框架和准则下进行。根据相关法律和机构准则，本研究无需伦理委员会批准。本研究不涉及人类受试者或动物实验对象，因此无需遵守特定国家的法律、法规框架或机构伦理委员会准则。CRediT作者贡献声明：Yang Yubeen：撰写——原稿，调查研究，数据整理，构思。Park Sungwook：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，构思。利益冲突声明：作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢：本研究是"海洋友好型船舶蓝色技术领导者培养"项目（编号RS-2025-02220459）的一部分，由韩国海洋水产部资助。本工作部分由韩国政府（MSIT）资助的IITP（信息通信科学技术计划与评价院）拨款支持（编号RS-2020-II201373，人工智能研究生院项目（汉阳大学））以及汉阳大学研究基金（HY-2026）支持。Yang Yubeen | Sungwook Park