基于响应面方法的电子控制氢柴油双燃料系统中循环氢注入波动的分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Analysis of cyclic hydrogen injection fluctuation in an electronically controlled hydrogen-diesel dual-fuel system based on response surface methodology

本研究开发了一种电子控制氢气-柴油双燃料喷射器数值模型，通过响应面法分析氢喷射量波动的主导因素，验证模型准确性，并提出优化参数策略。

　　

云白|沈敏兰|邵长马|贾旭福|罗晓冰|姚超|杨希宇|杜成达

摘要

氢柴油双燃料发动机是实现清洁高效燃烧的关键途径。然而，参数变化可能会影响氢柴油双燃料喷射系统的喷射特性，从而导致引燃柴油和主氢气的喷射量波动。本研究首先开发了一个电子控制的氢柴油双燃料喷射器的数值模型。通过将仿真结果与实验测量数据进行比较，验证了该模型能够准确预测系统的氢气喷射量。选择了相应的研究因素，并建立了二次响应面模型。标准化残差分布的分析、决定系数R2和调整后的决定系数Radj2均表明了所建立模型的统计显著性。模型项的分析表明，氢电磁阀升程和氢气出口孔径等相互作用对氢气喷射量的周期性波动有显著影响。定量分析结果显示，氢电磁阀升程与氢气喷射孔径面积之间的相互作用是导致波动的主要因素，贡献了10.93%。此外，柴油进口孔径和氢气喷射孔径面积也对氢气喷射量的周期性波动有显著影响，贡献了8.97%。此外，本研究还详细分析了这些参数相互作用的机制。

引言

在化石燃料储备减少和全球气候变化加剧的背景下，寻找清洁高效的替代能源变得至关重要。在主流的燃料替代品中，氢气相比其他候选者具有明显的优势[1],[2]。氢气的零碳排放技术对于缓解全球气候变化和实现“碳中和”目标具有重要意义。此外，氢气生产技术正迅速向更高的效率和成本效益发展。关键技术路径的进步不仅降低了氢气生产成本，还促进了其大规模应用[3,4]。目前，利用氢气作为能源主要有两种途径：燃料电池和氢内燃机（HICEs）。尽管燃料电池技术前景广阔，但仍面临两个主要障碍：对氢气纯度的严格要求以及内部反应所用材料的高昂成本。相比之下，HICEs可以基于成熟的传统内燃机技术进行改进，从而大幅降低研发和制造成本。此外，其对氢气纯度的要求远低于燃料电池。因此，将氢气作为内燃机的燃料具有非常广阔的发展前景[3,4]。

HICEs中采用的两种主要氢气喷射策略是端口燃料喷射（PFI）和缸内直接喷射（DI）。当使用PFI方法时，氢气的固有特性（如低最小点火能量和宽燃烞性范围）使得发动机容易发生早燃和回火现象，这些异常燃烧现象会对HICEs的性能和稳定性产生不利影响[5]。相比之下，DI不仅有效防止了回火现象，还提供了更高的功率密度，从而提高了燃烧过程中的热效率[6,7]。在直接喷射领域，低压直接喷射（LPDI）是一条重要的技术路径。LPDI系统通常在较低的喷射压力下运行，简化了燃料供应结构并减少了与燃料压缩相关的寄生能量消耗。然而，对比研究表明，虽然LPDI在成本效益方面具有优势，但在高压条件下，高压直接喷射（HPDI）通常在实现快速燃料-空气混合和更高热效率方面更胜一筹[8,9]。然而，将HPDI技术应用于氢发动机时面临喷射一致性的重大挑战。与柴油不同，氢气的粘度和密度极低，使得气体流动对喷射器的各种结构参数的动态响应非常敏感，因此喷射质量在每个循环中都可能发生变化，这种现象通常表现为氢气喷射量的周期性波动（CHIF）。

尽管具有这些优势，高压气体氢气喷射的应用仍引入了独特的技术挑战。氢气的极小分子尺寸和低粘度在高压力条件下会导致移动部件之间的间隙泄漏风险增加[10]。此外，金属部件长期暴露在高压氢气环境中可能导致氢脆，从而降低机械性能并影响喷射器的耐用性[11,12]。此外，气体氢气的高压缩性导致喷嘴内的超音速流动动力学复杂化，使得精确的流量控制和CHIF成为关键难题[13]。然而，氢气的自燃温度较高，仅依靠氢气实现稳定点火具有挑战性。因此，目前的技术方法是使用柴油引燃[14,15]。双燃料喷射器是氢燃料压缩点火发动机中的关键组件之一。为了解决这一挑战，Philip G. Hil等人开发了一种由电子控制单元（ECU）控制的双燃料喷射器。配备该喷射器的发动机在性能和排放方面的数据表明，它不仅提高了发动机效率，还减少了排放[16]。Ho Lung Yip等人研究了氢气和天然气的物理化学性质，发现它们的自燃温度相似。基于这一观察，他们认为天然气-柴油双燃料燃烧的研究结果可以为氢柴油燃烧模式下气体燃料喷射与引燃柴油喷雾之间的相互作用提供有价值的见解[17]。在氢柴油双燃料压缩点火（CI）发动机中，喷射策略是影响燃烧性能的关键因素。通过精确调节喷射时间和喷射持续时间，该策略可以有效控制氢气混合物的形成和燃烧过程，从而确保发动机稳定运行、性能可靠并降低整体燃料成本。因此，采用适当的喷射策略对于提高发动机性能具有重要意义[18,19]。Philip G. Hil等人提出的HPDI策略已经通过实验得到验证。该技术使发动机能够在高负荷下达到与现代柴油发动机相当的性能，同时大幅减少污染物排放[20]。Xiahou M等人利用HPDI策略研究了不同操作条件对甲醇燃烧特性和排放的影响。他们的研究表明，降低进气压力和甲醇喷射压力不仅显著减少了CO和NOx排放，还保持了良好的燃烧稳定性，并提出了一种优化方案[21]。总之，HPDI策略结合了燃料清洁性和经济性的优势，同时减少了二氧化碳排放，显示出广阔的发展前景。柴油发动机中燃料喷射量的一致性是实现燃料系统与发动机最佳匹配的关键喷射特性。它不仅决定了柴油发动机的运行稳定性，还影响了燃料喷射过程的总体效率。然而，实现这些排放效益严格依赖于喷射的一致性。CHIF会破坏燃料-空气混合比的精确控制，导致局部富燃区和未燃烧氢气的逃逸。因此，最小化喷射波动不仅是一个机械稳定性问题，也是优化排气排放性能和满足严格环境法规的关键前提。因此，分析共轨喷射系统中循环燃料喷射量波动（CFIQF）的特性至关重要[22]。这一结论同样适用于氢柴油双燃料CI发动机。一些研究人员使用响应面方法（RSM）研究了不同共轨喷射器参数之间的相互作用对循环FIQF的显著影响，提供了这些相互作用机制的详细分析[23]。

然而，电子控制的双燃料喷射器是一个典型的多物理系统，其中液压和气动领域通过针阀紧密耦合。单因素分析无法捕捉这种耦合引起的复杂非线性相互作用，例如柴油控制动态如何调节氢气喷射。因此，阐明这些多领域相互作用机制对于确定CHIF的根本原因至关重要，但这一特定领域的定量研究仍存在显著差距。因此，本文研究了一种新型的电子控制氢柴油双燃料喷射器。基于其工作原理建立了仿真模型，并通过与实验数据的比较验证了其准确性。通过对CHIF的RSM分析，确定了具有显著影响的相互作用参数，并详细分析了这些参数对CHIF的影响模式。这项工作为双燃料喷射器的最佳设计和循环气体喷射稳定性的控制提供了理论支持。

电子控制氢柴油双燃料喷射器的操作原理

本研究研究的电子控制氢柴油双燃料喷射器采用HPDI策略，如图1所示。其核心组件包括喷射器本体、电磁阀组件、控制活塞组件和针阀组件。该喷射器使用两个独立控制的电磁阀，以柴油作为液压控制介质，实现对氢气和柴油的独立喷射控制，从而确保运行

RSM实验组

基于初步的单因素实验，确定了六个影响氢气喷射量周期性的关键独立变量，分别是：氢电磁阀升程、氢气出口孔径直径、柴油进口孔径直径、氢针阀弹簧硬度、氢针阀升程和氢气喷射孔径面积。表3列出了选定的实验设计因素及其相应的变化范围。

为了系统地

结论

建立并校准了一个多物理仿真模型。从数值上看，该模型的决定系数R2超过97%，相对均方根误差（RRMSE）低于5%，噪声标准误差（NSE）值始终在0到1之间。这些指标表明，该仿真能够高保真地捕捉复杂的液压-气动动态。因此，基于六因素BBD得到的RSM具有显著的预测能力，可用于分析CHIF。

定量

CRediT作者贡献声明

云白：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念构思。沈敏兰：撰写 – 原稿，可视化，软件开发，数据分析，概念构思。邵长马：验证，监督，数据管理。贾旭福：研究。罗晓冰：方法论。姚超：方法论。杨希宇：撰写 – 审稿与编辑，资源管理，研究，资金获取。杜成达：

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52271334）、河北省自然科学基金（项目编号：E2024203088、E2024203064）、河北省教育厅高等教育机构科学技术研究计划（项目编号：QN2025062）以及发动机与动力总成系统国家重点实验室开放基金（项目编号：skleps-sq-2024-214）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。