使用田口方法对一种新型导管氢注入系统进行数值研究和优化，以应用于重型氢发动机

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical investigation and optimization of a novel guide tube hydrogen injection for a heavy-duty hydrogen engine using Taguchi method

　　郝宇尹|白刚孙|凌志宝|青和罗|凯陈 北京工业大学机械工程学院，北京，100081，中国 摘要 氢内燃机为低碳推进提供了一条有前景的途径。对于成本效益高的进气口喷射氢发动机而言，必须妥善管理吸入的氢气，以改善缸内混合并最小化残余氢气，从而避免回火。本研究在一个5.1升的重型氢发动机上评估了一种新型导管喷射器概念。通过三维仿真来量化导管几何形状和喷射时机对氢气传输、混合形成及残余氢气的影响。采用田口设计和TOPSIS方法来评估因素影响和鲁棒性。结果表明，导管显著降低了残余氢气量。喷射结束时刻（EOI）不应晚于进气门关闭前的90°CA。通过TOPSIS方法系统评估了喷射参数对优化目标的影响，最终确定最佳组合为：导管长度20毫米、导管角度10°以及EOI为?277°CA。 引言 随着全球能源系统加速向低碳和碳中和转型，内燃机（ICE）行业面临着在保持成本效益和技术成熟度的同时减少温室气体排放的压力。寻找实用的低碳途径已成为该行业面临的重大挑战[1]。研究人员正在积极探索天然气、氢气[2]、生物燃料和乙醇等可再生和清洁能源。氢气被认为是一种特别有前景的能源载体，因为它具有较高的低位热值（高达120 MJ/kg）和非常宽的可燃极限[3]，这使得超稀薄燃烧策略成为可能。此外，氢气的熄火距离短、层流火焰速度高、自燃温度高，从而能够实现更高的压缩比，并可能提高热效率同时减少污染物排放[4]。因此，氢气被认为是内燃机的有前景的替代燃料。 在不同的道路交通领域中，重型应用尤其难以实现脱碳，因为它们对行驶里程、加注时间、载荷能力和车辆利用率有严格的要求。最近关于氢动力重型卡车的研究表明，基于氢的动力系统正在向这些苛刻的应用场景迈进[5]。在这种背景下，氢内燃机（H2ICE）被认为是一条现实可行的途径，因为它们可以利用现有的发动机制造基础和商用车辆平台，同时具备重型运输所需的快速加注和高负荷能力。氢燃料内燃机大致可分为进气口喷射（PFI）氢发动机[6,7]和直接喷射（DI）氢发动机[8,9]。尽管DI氢发动机具有更高的性能潜力[10]，但其高昂的开发成本在短期内实现大规模商业化存在挑战[11]。相比之下，PFI氢发动机在系统简单性、较低的喷射压力、高喷射器可靠性以及易于集成到传统发动机平台方面具有优势[12]。这些特性使得PFI成为一种成本效益高且技术上可行的氢发动机应用方案。 然而，PFI氢发动机也存在显著的缺点。在进气过程中，氢气占据了部分进气口体积，导致容积效率下降和功率损失高达33%[13]。此外，PFI氢内燃机中的混合形成主要通过进气口、进气门和气缸进行。不利的进气和喷射过程可能导致回流和氢气在进气口积聚，显著增加回火的风险。回火不仅会导致未燃烧的氢气损失，还会导致循环间的混合不均匀和局部高温区域，这可能进一步引发严重的异常燃烧现象，如爆震[14]。先前的研究表明，PFI氢发动机的回火倾向受多种因素强烈影响[15]，包括喷射时机、富氢空气混合物以及从前一循环残留在进气口中的未燃烧氢气。同时，最近关于重型氢发动机的研究表明，为了实现高单缸功率输出，发动机需要较高的氢气流量，而这又会加剧进气口的氢气积聚。因此，满负荷运行受到回火、提前点火和爆震的严重限制，从而对氢气喷射压力、喷射时机和混合形成策略提出了严格要求。 为了平衡混合形成、效率和异常燃烧的缓解，人们已经广泛研究了氢气喷射策略。Lou等人[16]报告称，最佳喷射相位取决于速度和负荷，通常需要提前喷射以补偿高速下的混合时间缩短。孙等人[17]利用CFD仿真表明，过早的氢气喷射会在进气门附近形成高密度混合物，高温废气引起的点火会引发回火。当氢气喷射过度延迟时，部分氢气会在进气门关闭后仍留在进气口中。卢等人的实验[18]进一步确定了与爆震发生相关的两个喷射时机窗口，分别是喷射过早（早于?430°CA ATDC）和喷射在进气门打开后不久（?360°CA至?280°CA ATDC）。Hyunwook Park等人[19]为重型PFI氢发动机在满负荷条件下建立了一种混合形成策略，同时抑制了回火、提前点火和爆震。Rao等人[20]通过多目标优化实验量化了过量空气比（λ）、点火正时（SOI）对重型PFI氢内燃机燃烧特性和整体性能的影响，并确定了最佳参数组合。总之，无论是过早还是过晚的氢气喷射时机都会对PFI氢内燃机的性能产生不利影响。 在DI氢发动机中，许多研究集中在喷射器结构和几何配置上。谢等人[21]系统研究了喷射器结构和喷射压力对氢直接喷射发动机喷雾特性、混合形成和燃烧性能的影响，强调了它们协调优化对于实现高效、清洁氢燃烧的重要性。Kevin Moreno-Cabezas等人[22]比较了空心锥形喷射器和实心多孔喷射器，强调了多孔喷射器配置与导向结构结合使用在提高燃烧效率和减少排放方面的潜力。蒋等人[23]对被动预燃室喷射点燃的氨-氢发动机的氢直接喷射喷嘴设计进行了数值研究，评估了喷射角度和喷嘴孔数对缸内流动、混合分布和燃烧性能的影响。氢喷射器的布置和结构在控制喷射方向和随后的混合形成中也起着关键作用。