氢-柴油双燃料燃烧的全金属与光学发动机综合研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：A comprehensive full-metal and optical engine study of hydrogen-diesel dual-fuel combustion

　　

本研究对氢-柴油双燃料（DF）燃烧开展了全金属与光学发动机的综合实验研究。在恒定总燃料能量条件下，通过全金属发动机的CA50控制，系统评估了氢气对燃烧与排放的影响。结果表明，在50%氢气能量占比（HES）下，二氧化碳（CO2）排放降低约50%；氮氧化物（NOx）排放强烈依赖于燃烧相位与气体过量空气系数（λg）；炭烟排放则在高转速与低HES条件下主要受燃烧相位影响。此外，两种发动机配置中观察到相反的着火延迟（IDT）趋势。光学发动机在降低压缩比（CR）与跳火运行条件下，实现了对氢-柴油燃烧演化的直接可视化，揭示了氢气对初始燃烧加速及火焰发展的影响。研究为优化氢-柴油双燃料发动机的性能与排放提供了系统的实验依据。

氢-柴油双燃料燃烧的全金属与光学发动机综合研究：论文解读

一、研究背景与问题

在全球清洁能源转型的背景下，交通运输行业面临着减少乃至消除温室气体排放的巨大压力。内燃机（ICE）凭借其高功率密度、高效率、高可靠性及快速启动能力等优势，在能源转型进程中仍占据核心地位。然而，日益严格的排放法规要求发动机技术持续革新，其中以碳中性和无碳替代燃料取代传统化石燃料成为关键路径之一。氢气因其零碳含量、高火焰传播速度、宽可燃极限、良好的扩散特性及高比能量密度等优势，被认为是极具潜力的替代燃料。

然而，氢燃料发动机的开发面临显著挑战。氢气低最小点火能量、高扩散性与高火焰速度等特性，同时也会引发早燃、回火及爆震等异常燃烧现象。在压燃式（CI）发动机中，氢气的自燃温度（约858 K）难以仅通过压缩实现可靠着火，因此需要借助自燃温度较低的高活性燃料（如柴油，约523 K）作为引燃燃料，由此形成了氢-柴油双燃料（DF）策略。双燃料策略为从传统柴油运行向氢基发动机过渡提供了务实路径。

现有研究主要集中于氢气替代极限、燃烧控制策略或NO_x减排措施，但多数研究在固定或耦合工况下进行，HES变化与燃烧相位及总燃料能量变化相互交织，难以系统分离氢气的独立影响。此外，对于进气道喷射（PFI）氢气压燃发动机，在恒定总燃料能量条件下结合燃烧相位控制的系统研究仍较为缺乏。因此，本研究旨在通过全金属与光学发动机互补的实验框架，系统解耦氢气对燃烧与排放的独立贡献。

二、研究内容与主要结论

研究人员开发了一套全金属与光学发动机互补的实验框架，在恒定总燃料能量条件下研究PFI氢-柴油双燃料燃烧。全金属发动机采用CA50控制约束全局燃烧相位，系统评估氢气对着火及燃烧速率演化的影响；光学发动机则在降低压缩比与跳火运行条件下，直接可视化氢-柴油燃烧演化过程。研究得出以下主要结论：

第一，在50% HES下，CO₂排放降低约50%，验证了氢气替代在碳减排方面的显著潜力。

第二，NO_x排放强烈依赖于燃烧相位与气体过量空气系数（λ_g），表明通过燃烧相位优化和稀燃策略可在一定程度上调控NO_x生成。

第三，炭烟排放与燃烧相位密切相关，尤其在高转速和低HES条件下，燃烧相位对炭烟排放的影响更为显著。

第四，两种发动机配置中观察到相反的着火延迟（IDT）趋势，这一发现揭示了不同热力学条件下氢气对柴油着火过程影响的复杂性。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：全金属单缸发动机实验平台，配备电液气门驱动（EHVA）系统、共轨柴油喷射系统及进气道氢气喷射系统，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量气态排放，采用微粒传感器（MSS）测量炭烟排放；光学发动机实验平台，配备光学活塞（85 mm窗口）和高速彩色相机及单色相机，分别采集自然火焰发光（NFL）和OH*化学发光（CL）图像；质量流量控制器（MFC）精确调控氢气供给；缸内压力传感器以0.2曲轴转角（CAD）分辨率采集燃烧数据。

四、研究结果

4.1 全金属发动机：燃烧与性能特性

在全金属发动机中，研究人员通过CA50控制实现燃烧相位约束，系统研究了发动机转速、HES和λ_g对燃烧特性的影响。结果表明，氢气添加加速了初始燃烧阶段，缩短了燃烧持续期（CD），但着火延迟（IDT）的变化趋势与光学发动机中观察到的现象相反，这归因于两种配置不同的热力学条件。

4.2 全金属发动机：排放特性

排放测量结果显示，CO₂排放随HES增加而显著降低，在50% HES时降低约50%。NO_x排放与燃烧相位和λ_g密切相关，燃烧相位提前或λ_g降低均会导致NO_x排放上升。炭烟排放则在高转速和低HES条件下对燃烧相位敏感，燃烧相位提前有助于降低炭烟生成。

4.3 光学发动机：燃烧可视化

光学发动机在降低压缩比和跳火运行条件下，实现了氢-柴油燃烧过程的可视化。NFL和OH* CL图像揭示了氢气对火焰发展和燃烧演化的影响。氢气添加促进了火焰传播速度，加速了燃烧过程，但同时也观察到燃烧不稳定性的增加。

五、讨论与结论

讨论部分指出，氢-柴油双燃料燃烧的性能和排放特性受到HES、燃烧相位、λ_g及发动机转速等多参数的耦合影响。研究通过CA50控制和恒定总燃料能量的实验设计，有效解耦了氢气的独立贡献，为优化双燃料发动机运行策略提供了重要参考。研究结论部分强调，在50% HES下可实现CO₂排放降低约50%的显著效果，但NO_x排放的控制需要综合考虑燃烧相位和λ_g的协同优化。两种发动机配置中观察到的相反IDT趋势表明，氢气对柴油着火的影响依赖于具体的热力学条件，这为理解氢-柴油双燃料燃烧机理提供了新的视角。研究建立的实验框架和获得的数据为未来氢-柴油双燃料发动机的开发和优化奠定了坚实基础。