在超轻型氢发动机中，对PFI-SI、DISI和PCC模式进行评估，以实现清洁高效的燃烧

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Assessment of PFI-SI, DISI, and PCC modes in ultra-lean hydrogen engines towards clean and efficient combustion

　　摘要
氢发动机设计用于在超稀薄条件下运行，以抑制爆震和氮氧化物（NOx）的生成。然而，强烈的扩散-热（DT）不稳定性和火焰壁淬火现象对精确的计算流体动力学预测和燃烧系统设计构成了重大挑战。本研究开发了一个统一的燃烧建模框架，该框架将DT不稳定性及其与湍流、火焰淬火和氢-NOx化学反应的相互作用纳入G方程模型中，以研究端口燃料喷射点火（PFI-SI）、直喷点火（DISI）和预燃室燃烧（PCC）配置下的氢燃烧情况。该框架通过基础燃烧数据、光学火焰观测以及三种燃烧配置下的发动机实验进行了验证。DT效应强烈依赖于混合气分布和燃烧模式。在PFI-SI中，随着空燃比从2.5增加到3.0，DT增强因子增加了大约30%，这突显了在超稀薄条件下DT不稳定性的重要性。DISI中的混合气分层提供了相对于DT不稳定性脊线的局部混合气调节的额外自由度，而PCC由于预燃室中的局部稀薄混合气而表现出最强的DT效应。在这三种模式下，DISI实现了最高的指示热效率，为47.4%，比相同点火时刻的PFI-SI高约2%，主要是由于排气损失的减少了4.7%。相比之下，PCC提供了最快的燃烧速率和最强的燃烧稳定性，在低负荷运行条件下表现出潜力。总体而言，这些结果揭示了三种燃烧概念之间的显著性能权衡，并建立了一个基于物理的统一框架，用于理解和优化超稀薄氢发动机的燃烧。

引言
作为人为温室气体排放的主要来源之一，交通运输行业面临着越来越严格的脱碳目标的压力[1]。因此，包括柴油和汽油在内的传统石油衍生燃料因其显著的二氧化碳排放和相关的气候影响而受到越来越多的关注[2]。作为回应，人们越来越关注来自可持续生物质或可再生电力途径的可再生燃料[3]。这些燃料特别有吸引力，因为它们可以利用成熟的高优化内燃机（ICE）平台。与电池电动或燃料电池动力系统相比，使用可再生燃料的ICE系统可以提供具有竞争力的循环效率、操作灵活性和快速的可扩展性，同时受益于已经为内燃机建立的广泛的全球基础设施和制造生态系统[4]。在各种被研究的替代燃料中，氢（H2）被认为是一个特别有前景的候选者。H2燃烧不产生直接的碳排放，并且可以通过可再生能源电力驱动的电解来生产[5]，[6]，随着技术的成熟和生产规模的扩大，这为实现零碳能源系统提供了途径。在常温条件下，H2是一种非常轻的气态物质，其特征是高扩散性和低密度。因此，通常需要高压储存以实现实际发动机应用所需的足够体积能量密度。由于其低的最小点火能量和快速的层流火焰传播速度，H2非常适合用于火花点火（SI）发动机[7]。然而，当应用于压缩点火（CI）配置时，H2的自燃温度较高，需要辅助引燃燃料来启动点火，形成双燃料燃烧模式[8]。与SI操作相比，双燃料策略更难以控制，常常面临燃烧稳定性和氮氧化物（NOx）排放增加的挑战[9]。因此，对于大多数陆地交通工具应用来说，H2 SI内燃机是一个更实用且有前景的解决方案。相比之下，对于在高压缩比下运行的大型船用发动机，双燃料策略可能更适合实现更高的发动机热效率，因为在这些条件下纯SI操作可能更容易受到末端气体自燃和爆震现象的影响。
为了控制燃烧速率和抑制NOx的形成，通常优选能够实现稀薄燃烧的策略用于H2发动机[10]。早期研究主要依赖于端口燃料喷射（PFI）作为一种直接的实施途径，需要对传统发动机架构进行最小的修改[11]。许多研究表明，H2 PFI-SI发动机可以达到与汽油SI发动机相当的发动机性能水平。然而，由于H2占据了进气量的很大一部分，因此在较高发动机负荷下，可实现的发动机功率密度可能会受到影响。这一限制促使人们开发了直喷（DI）策略，其中H2直接注入燃烧室。因此，预计H2 DI火花点火（DISI）发动机将实现更高的体积效率、更高的发动机功率输出，以及潜在的增强的热效率[12]。尽管有这些优势，但在SI发动机中，混合气形成仍然是H2燃烧面临的最关键挑战之一。由于其低分子量和有限的喷射动量，需要较高的质量流量，这使得在点火时刻（ST）之前在燃烧室内建立足够均匀的混合气变得困难。此外，与PFI配置不同，DI操作严重依赖于缸内湍流结构来增强混合。因此，先前的研究已经探讨了多种改进混合气制备和燃烧特性的方法，包括对喷射器几何形状、活塞缸设计、喷射策略和缸内翻滚或涡流流动的修改。最近，还提出了H2发动机的预燃室燃烧（PCC）概念[13]，[14]。PCC系统在超稀薄运行条件和低发动机负荷下显示出改善点火稳定性和减少爆震倾向的潜力。
与硬件发展并行，已经探索了几种控制H2燃烧行为的策略，包括可变气门正时[15]、废气再循环（EGR）[16]和水分喷射[17]。这些技术有助于控制燃烧相位、抑制爆震并限制NOx排放，同时保持高发动机效率。然而，要实现最理想的发动机性能，需要同时优化提高热效率、减轻爆震倾向和最小化污染物形成。因此，确定新兴燃烧概念、操作策略和设计参数中最有效的组合涉及大量输入和设计参数的联合优化。高维参数空间使得数值建模和模拟成为不可或缺的工具。先进的计算方法使得广泛的参数探索成为可能，而这些使用实验方法单独完成将非常昂贵或耗时。特别是，计算流体动力学（CFD）模拟在阐明H2发动机内的混合形成过程、燃烧动力学和污染物形成途径方面起着关键作用。然而，为了确保在相关发动机运行条件下的预测模拟的准确性，需要在各种子模型中进行额外的改进和细化。
在化学计量条件下，H2极快的燃烧速度可能容易触发爆震，需要采取如EGR这样的缓解措施来延迟燃烧相位。广泛的基础燃烧研究还表明，H2火焰在稀薄条件下表现出明显的扩散-热（DT）不稳定性[18]，[19]。这些不稳定性源于H2-空气混合物中热扩散率和质量扩散率之间的巨大差异。因此，火焰前沿可能会发展出复杂的指状结构，并在高压下变得更加不稳定，往往导致与平滑层流火焰配置相比火焰传播速度加快。这些现象对传统的燃烧建模方法提出了重大挑战，其中许多方法没有明确考虑DT不稳定性效应[20]，[21]。最近的研究如Chu及其同事的研究[22]指出，H2火焰动力学不仅受DT不稳定性的影响，还受到湍流和DT效应之间耦合相互作用的影响。这种湍流-DT耦合可能显著改变火焰传播特性，在传统的CFD建模框架中经常被忽视[23]。因此，将湍流-DT耦合纳入高保真度H2发动机燃烧模型对于预测模拟和大规模优化研究至关重要。尽管一些最近的研究开始纳入DT效应，但湍流和DT不稳定性的同时影响仍需进一步研究，这是本工作的核心动机之一。此外，在H2燃烧的稀薄燃烧条件下，火焰淬火的影响更加明显，其中增加的淬火距离在准确捕捉火焰壁相互作用和相关壁面热传递过程中起着更重要的作用。
除了物理燃烧建模挑战外，选择适当的H2化学动力学机制也是模拟准确性的关键因素。自20世纪90年代初以来，基于广泛的实验测量和量子化学计算开发了许多H2燃烧机制。随着验证数据集的扩大，几种代表性机制已成为H2燃烧研究的广泛采用的标准。然而，下一代H2发动机预计主要在稀薄或超稀薄条件下运行，这与许多早期验证研究中使用的接近化学计量条件有很大不同。因此，这些机制需要重新验证，特别关注与实际发动机应用相关的操作范围。对于使用基于火焰片的燃烧模型的发动机燃烧模拟，准确预测稀薄条件下的层流火焰速度尤为重要。为了解决这个问题，作者之前[24]开发了一个全面的评估框架，该框架将DT效应纳入层流火焰速度计算中，并系统地评估了几种H2燃烧机制。通过这一过程，确定了一种最佳H2发动机建模机制。在本研究中，通过纳入详细的NOx形成途径来进一步扩展了这一机制，这些途径考虑了H2-NO相互作用。所得到的动力学机制作为支持材料提供，并将提供给更广泛的发动机研究社区。
本工作的主要目标是开发一个强大而全面的燃烧建模框架，适用于多种H2发动机配置，包括PFI-SI、DISI和PCC模式。本研究引入了三个主要创新。首先，实现并系统验证了一个先进的基于火焰片的燃烧模型，该模型纳入了DT不稳定性及其与湍流的相互作用。其次，这个燃烧框架与一个新的H2-NOx化学动力学机制相结合，该机制能够在考虑H2-NO相互作用的同时预测NOx的形成。第三，通过纳入火焰淬火子模型，进一步增强了模型，并将其应用于三种H2燃烧模式的全面比较研究。进行了能量平衡分析，以量化能量转换途径并评估每种燃烧策略相关的热效率优势和损失。集成的建模框架和所得见解预计将为H2发动机研究社区提供有价值的指导，并支持下一代可持续交通技术的发展。

部分摘录
沃尔沃PFI-SI和DISI发动机
H2 PFI-SI和DISI实验分别使用重型光学和金属发动机进行。这两种发动机都是从六缸沃尔沃D13柴油发动机架构修改而来的单缸平台，它们的关键规格在表1中进行了总结。对于光学发动机，通过用火花塞（SP）替换原始柴油喷射器并在进气管道中安装端口燃料气体喷射器来实现SI操作，如图1所示[25]。

G方程燃烧模型
在本研究中，使用基于G方程方法的水平集燃烧框架对湍流火焰传播进行了建模[28]。在此公式中，通过求解标量G的平均值和方差的传输方程（方程1-2）来跟踪湍流火焰前沿，该标量G表示到火焰前沿的有符号距离。负值表示未燃烧区域，而正值对应于已燃烧气体。湍流火焰速度（????）是使用Peters方法计算的。

PFI-SI发动机燃烧
首先评估了修订后的G方程燃烧模型与H2-NOx反应机制的预测能力，以及在表格中的层流火焰速度中实施DT不稳定性校正的效果，适用于PFI-SI配置。图6比较了两种操作条件（λ = 2.5 (? = 0.4) 和 3.0 (? = 0.33) 下的测量和模拟的缸内压力和表观热释放率（AHRR）。因为在PFI模式下产生的均匀稀薄混合气…

结论
通过整合修订后的G方程燃烧模型、湍流-火焰相互作用下的DT不稳定性引起的火焰增强、火焰淬火影响以及组合的H2-NOx化学机制，开发了一个全面的H2内燃机三维CFD框架。除了解决详细的火焰传播物理问题外，该框架还能够系统地评估缸内能量转换过程、燃烧效率和热力学损失。

CRediT作者贡献声明
刘新蕾：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析、数据管理、概念化。
拉斐尔·梅纳卡：撰写——审阅与编辑、验证、软件、调查、形式分析。
法比奥·桑蒂·莫泰拉罗：撰写——审阅与编辑、资源、项目管理、调查。
亚历山德罗·卡林奇：撰写——审阅与编辑、软件、调查。凯文·莫雷诺·卡贝萨斯（Kevin Moreno Cabezas）：写作（包括审稿与编辑工作）、软件相关内容；利益冲突声明
作者声明：他们不存在任何可能影响本文所述研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢
本研究由FLEET（燃料、润滑油和高效发动机技术）联盟资助。模拟计算使用了沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的Shaheen高性能计算资源。作者同时感谢Convergent Sciences公司提供的相关许可。

作者名单：
刘新磊（Xinlei Liu）、拉斐尔·梅纳卡（Rafael Menaca）、法比奥·桑蒂·莫尔泰拉罗（Fabio Santi Mortellaro）、亚历山德罗·卡林奇（Alessandro Carinci）、凯文·莫雷诺·卡贝萨斯（Kevin Moreno Cabezas）、Hong G. Im

所属机构：沙特阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系（CERP），沙特阿拉伯图瓦尔（Thuwal），邮编23955-6900