氢 - 柴油双燃料发动机：性能洞察、排放缓解策略及新兴挑战

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Hydrogen-diesel dual-fuel engines: Performance insights, emission mitigation strategies, and emerging challenges

　　

•分析了氢-柴油双燃料燃烧作为清洁发动机应用的低碳策略。
•报告了在5%–15%氢气用量下，制动热效率高达28.94%，燃油经济性提升17.6%。
•通过优化燃烧，突出实现了77%的CO?、45%的CO和85.7%的PM减排。
•指出了NOx上升、热应力以及需要先进ECU和混合动力控制的问题。

## 引言

全球人口增长和生活水平的提高加剧了对化石燃料的需求，导致了资源枯竭和环境污染等严重问题[1]。在这些燃料中，柴油仍是全球最主要的石油基能源，其在多个领域的消费量持续增长[2]。柴油发动机的持续依赖主要归因于其卓越的热效率、燃油经济性、机械坚固性和运行可靠性[3]。根据石油输出国组织（OPEC）的数据，全球柴油和瓦斯油需求预计从2017年的2860万桶/日增加到2040年的3160万桶/日[4]。因此，工业、农业和服务领域中轻型和重型柴油动力车辆的使用预计将大幅增长[5]。2018年全球柴油发动机市场价值为81亿美元，预计到2026年将达到约110亿美元，再次确认了其经济重要性[5]。然而，这种对柴油技术日益增长的需求加剧了环境问题，因为柴油发动机是氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）和烟雾排放的主要来源之一，这些排放是空气质量恶化和健康影响的关键因素。

内燃机（ICE），特别是以柴油为燃料的压燃（CI）发动机，由于其高热效率、耐用性和功率密度，在交通运输、农业和工业领域仍然不可或缺[6]。随着全球对新能源需求的迅速增长以及减少温室气体（GHG）排放的紧迫需要，开发和采用环境可持续的动力技术已成为势在必行的任务[7]。在此背景下，实现碳峰值和碳中和目标的国际承诺促使各国政府实施严格的排放法规。这些目标旨在加强寻找低碳、可再生和清洁的替代常规石油基燃料的努力[8]。

在现有替代燃料中，氢气凭借其卓越的燃烧特性和近零碳足迹成为最有前景的候选燃料之一[9]。氢气的日益受关注和潜力与全球脱碳议程及向可持续能源系统的转型密切相关[8]。作为零碳排放载体，氢气燃烧仅产生水蒸气，有效消除了碳基排放[10]。此外，氢气在常规燃料中具有最高的热值，为增强动力输出和提高燃烧应用的续航能力提供了潜力[9]。这些优势推动了将氢气整合到现有发动机技术中的广泛研究，特别是通过氢-柴油双燃料（HDDF）系统。HDDF概念将氢气的清洁燃烧特性与柴油卓越的点火稳定性和能量密度战略性地结合在一起，从而提高了热效率、减少了排放并改善了燃油经济性[11]。此外，在不进行重大硬件修改的情况下对现有柴油发动机进行双燃料改造的可行性，为脱碳和减排提供了一条具有成本效益的路径[6]。

氢气能源的市场动能进一步体现在其全球需求的激增和前所未有的投资前景上。2023年，全球氢气消费量超过9700万公吨（mMt），预计到2024年将超过1亿吨，主要受工业和炼油应用推动[12]。展望未来，预计到2050年清洁氢气需求将达到每年1.25亿至5.85亿公吨[12]。实现这一转型需要大量的资金投入，预计到2050年全球与氢气相关的支出将达到6.8万亿美元，其中包括约1800亿美元的专用管道和5300亿美元的氨终端[13]。这些预测确认了氢气在未来全球能源格局中的关键角色。从实际角度来看，氢气表现出有利的燃烧特性，包括高火焰传播速度、宽可燃范围和碳-free分子结构，这些特性有助于提高与常规柴油运行相比的燃烧效率[14]。这些属性使氢气在双燃料系统中尤为有利，能够提高燃烧效率并减少有害污染物的形成[9]。

尽管全球在HDDF研究方面取得了显著进展，但在新兴经济体中的部署仍需要仔细评估。这些地区可能面临气候条件、燃料质量、多样化运营实践、不断演变的监管框架、氢气储存、基础设施准备和燃烧稳定性等方面的挑战，这些都可能影响HDDF系统的性能和可行性。氢气储存限制、基础设施准备、部分负荷下的燃烧不稳定性以及由于氢气高反应性导致的爆震或预燃风险仍然是关键问题[15]。此外，在部分氢气替代比例下NOx与未燃烧碳氢化合物之间的排放权衡仍然是优化的挑战[10]。

从区域角度来看，可扩展性、成本效益以及氢气生产和分配网络的建立是大规模HDDF实施的主要障碍。目前亚洲的研究主要集中在塑料废物转化为替代燃料和润滑油[16]、利用机器学习进行性能预测和生命周期评估[17]以及研究氢气与生物柴油混合燃烧[18]。例如，在氢气混合比等效于21.4 L/min流量的条件下，Bakar和Kadirgama[19]观察到发动机CO、CO?和烟雾排放显著减少。类似地，氢气能量比的增加提高了发动机热效率并减少了CO?和CO排放，尽管NOx形成量更高[20]、[21]。

因此，本综述对HDDF技术进行了全面和批判性的评估，重点关注其性能特征、排放行为和运行挑战，同时考察其在新兴经济体中的部署潜力。通过综合近期的实验和计算研究，本综述还确定了主要趋势、关键知识差距以及推进氢气辅助运输系统的战略方向。图1展示了手稿结构的概述，强调了HDDF系统各方面之间的相互联系。

## 章节摘要

### 方法
相关文献从学术数据库中检索，包括ScienceDirect、Scopus和Google Scholar。主要搜索词包括"hydrogen–diesel dual-fuel"（氢-柴油双燃料）、"hydrogen diesel dual-fuel engine"（氢-柴油双燃料发动机）、"hydrogen enrichment"（氢气富集）、"hydrogen energy share"（氢气能量份额）、"hydrogen-diesel combustion"（氢-柴油燃烧）、"engine performance"（发动机性能）、"emissions"（排放）、"injection strategy"（喷射策略）和"aftertreatment"（后处理）等的组合。本综述考虑的文献涵盖2015年至2026年的出版物，特别关注……

### HDDF发动机性能分析
氢-柴油双燃料（HDDF）发动机的性能分析从三个（3）关键视角呈现：(i) 热效率和燃烧行为，(ii) 功率输出和运行稳定性，以及(iii) 燃油经济性与替代比例。热效率和燃烧方面展示了氢气富集对点火延迟、放热模式和整体能量转换的影响。功率输出和发动机稳定性突出了HDDF系统的能力……

### HDDF部署挑战
HDDF技术的部署面临多种多方面挑战，阻碍了其大规模采用。其中最关键的障碍与氢气传输、储存和基础设施准备相关，因为当前的分配网络和加注设施仍然有限且建立成本高昂。此外，可行性和安全考虑构成重大制约，鉴于氢气的低体积能量密度、高扩散性和易泄漏性……

### 生命周期环境性能
仅从油罐到车轮或排气管角度评估氢-柴油双燃料内燃机，无法完整反映其脱碳潜力。综合评估需要涵盖从源头到车轮的边界，包括氢气生产、燃料调节和运输、车辆和动力总成制造、车载能量转换以及使用阶段排放[70]。尽管氢气替代可以消除与碳相关的排放……

### 结论
HDDF技术已成为实现更清洁内燃机应用的有前景且实用的过渡策略，特别是利用现有柴油发动机基础设施。该方案最令人信服的优势之一是其显著减少碳基污染物排放（包括CO、HC、CO?和PM）的能力。实验研究报告了令人印象深刻的减排效果，其中一些表明HDDF模式下的PM排放可降至……

### 未来工作建议
为使HDDF技术的成功部署和优化成为可能，未来的研究和开发工作必须系统地解决当前限制并探索有希望的改进方向。一个核心研究优先事项是优化燃烧过程和排放控制策略。这包括开发和完善针对氢气和柴油燃料在整个发动机运行范围内的先进喷射策略。重点应集中在……

### CRediT作者贡献声明
Huiyi Tan：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿撰写。Mohd Hafiz Dazrfan Othman：撰写—审阅与编辑。Sien Jie Wong：撰写—审阅与编辑。Ihab Hasan Hatif：撰写—审阅与编辑。Maria Anityasari：撰写—审阅与编辑。Hong Yee Kek：撰写—审阅与编辑。William Woei Fong Chong：撰写—审阅与编辑。Guo Ren Mong：撰写—审阅与编辑。Bemgba Bevan Nyakuma：撰写—审阅与编辑。Fuquan Nie：撰写—审阅与编辑。Garry Kuan：声明……

### 利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢
作者感谢马来西亚高等教育部（MOHE）高等学府卓越中心（HiCOE）项目通过HiCOE研究拨款（R.J130000.7824.4J741）以及马来西亚理工大学通过UTM基础研究拨款（Q.J130000.3846.23H42）提供的财政支持。

### 伦理批准和参与同意
不适用。

### 发表同意
不适用。

### AI辅助内容声明
人工智能（AI）工具被用于辅助生成图形摘要中活塞-气缸装置插图的绘制。

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Huiyi Tan | Mohd Hafiz Dazrfan Othman | Sien Jie Wong | Ihab Hasan Hatif | Maria Anityasari | Hong Yee Kek | William Woei Fong Chong | Guo Ren Mong | Bemgba Bevan Nyakuma | Fuquan Nie | Garry Kuan | Wai Shin Ho | Keng Yinn Wong