氢燃料反应活性控制压燃发动机的燃烧、能量与火用分析：实验研究

《Journal of Engineering Research》：Combustion, energy and exergy analysis of hydrogen-fuelled reactivity-controlled compression ignition engine: experimental study

　　

本研究聚焦于氢气（H₂）在双缸车用柴油机中的有效利用。实验涉及氢气能量占比（HES）在氢-柴油双燃料（HDDF）模式下的影响，研究人员实验研究了氢气能量占比从0%至71%的变化。此外，研究还针对固定氢气能量占比（HES=50%）的氢-柴油反应活性控制压燃（HD-RCCI）模式进行了实验。HD-RCCI模式通过双脉冲柴油喷射策略有效实现。另一方面，研究人员开展了能量与火用研究，以探究氢气的有效利用、经济可行性以及添加氢气对环境的可持续性影响。HDDF模式下氢气能量占比的实验特性在牺牲氮氧化物（NO_X）排放的代价下有效减少了含碳排放。HD-RCCI模式则实现了氮氧化物和碳烟的同步降低。这对于减少汽车柴油机中柴油颗粒捕集器（DPF）和选择性催化还原（SCR）等后处理装置的使用具有前景，从而提供成本效益优势。

**氢燃料反应活性控制压燃发动机研究解读**

**一、研究背景与问题**

交通运输领域对全球经济发展至关重要，压缩点火（CI）发动机作为重型车辆、农业机械、船舶及工业设备的主要动力源，凭借其优异的热效率、可靠性、耐久性和高扭矩特性被广泛使用。然而，传统柴油机显著排放温室气体（GHG）及有害污染物，包括氮氧化物（NO_X）和颗粒物（PM）。当前气候变化、化石燃料储备枯竭及严格排放法规的挑战，推动了可持续能源和创新燃烧技术的探索。氢气（H₂）作为零碳能源载体备受关注，其具有高热值（约120 MJ/kg）、宽可燃极限、快速火焰传播速度、高扩散性和低点火能量需求等优势，燃烧产物仅为水蒸气。但氢气直接用作CI发动机燃料存在困难，其高自燃温度和低十六烷值阻止自燃，且易产生早燃、回火和爆震等异常燃烧现象。因此，氢气通常以双燃料（DF）模式应用，即氢气作为主燃料、柴油作为燃烧促进剂。氢-柴油双燃料（HDDF）燃烧模式中，氢气通常经进气道喷射（PFI）或歧管导入，柴油直接喷入燃烧室引燃。已有研究表明，HDDF模式下氢气能量占比（HES）受爆震或回火风险限制，且氮氧化物排放随HES增加而升高。反应活性控制压燃（RCCI）作为一种低温燃烧（LTC）技术，通过双燃料策略建立缸内反应活性分层，可实现高热效率并显著降低NO_X和碳烟排放。尽管已有大量关于HDDF和HD-RCCI燃烧的研究，但两者之间的全面热力学比较仍缺乏，特别是在柴油多次喷射策略对能量分布、火用效率、火用破坏和可持续性指标影响方面。本研究旨在评估CI发动机在HDDF和HD-RCCI两种模式下的燃烧、性能、排放及热力学（能量与火用）效率，探索最大HES利用及NO_X与碳烟的同步减排。

**二、主要技术方法**

研究人员改装了一台双缸、四冲程、自然吸气式压缩点火发动机，实现柴油和氢气双燃料运行。氢气供应线包含高压氢气瓶、减压器、质量流量计、针阀、水阱和阻火器。柴油燃料经滤清器和高压泵供给高压共轨系统，开放式电子控制单元（ECU）调节柴油喷射正时和油量。发动机由电涡流测功机保持恒定转速，缸内压力通过压电式压力传感器测量，数据采集系统（DAQ-Kibox）记录100个连续循环的压力变化。排放测量采用AVL DiTest分析仪（NO_X、CO、HC）和AVL烟度计。实验在1800 r/min转速和2 bar BMEP负荷下进行。HDDF模式中，研究人员首先采用单脉冲柴油喷射，将HES从0%变化至71%；随后固定HES=50%并采用双脉冲喷射，将柴油总质量在预喷/主喷间等分（各50%），预喷正时从20 °CA BTDC推进至50 °CA BTDC（主喷固定为14 °CA BTDC）。HD-RCCI模式中，保持HES=50%和双脉冲喷射，将预喷正时推进至60 °CA BTDC（主喷仍为14 °CA BTDC），实现模式转换。能量分析基于热力学第一定律，建立能量平衡方程计算制动功率、润滑油散热、排气散热、泵气损失及未计入能量损失。火用分析基于热力学第二定律，计算燃料火用、进气火用、排气火用、做功火用、冷却火用及火用破坏，并确定火用效率。不确定性分析采用Holman均方根（RSS）法，总实验不确定度为±3.046%，低于热系统评估可接受标准（±5.00%）。

**三、主要研究结果**

**燃烧与性能指标：** 缸内燃烧分析显示，HDDF模式下随HES增加，氢气的预敏化效应加速预燃反应动力学，减少点火延迟并提前燃烧始点（SOC），导致峰值缸压升高但峰值放热率（HRR）降低。HES达71.92%时，少量柴油不足以完全燃烧大量预混合氢气-空气混合物，燃烧持续期延长，峰值压力降低。双脉冲喷射策略下，HD-RCCI模式（60/14 °CA BTDC）形成氢气（低反应活性燃料）和柴油（高反应活性燃料）的燃料分层，主喷后点火延迟更长，低温燃烧导致峰值压力和峰值HRR降低。性能方面，HDDF模式下BTE随HES增加而下降（从0% HES的23.94%降至71% HES的20.61%），原因是稀混合气淬熄、缝隙截留氢气及高HES下柴油量不足导致不完全燃烧，同时BSEC相应增加。双脉冲喷射虽有利于降噪和NO_X减排，但因点火延迟延长和燃烧持续期延长导致BTE下降。

**排放特性：** 刹车比排放分析显示，HDDF模式中CO和碳烟随HES增加而降低，这是因为氢气替代含碳柴油提高了H/C比，且氢燃烧产生的OH自由基氧化碳烟颗粒。HC排放增加，因为少量引燃柴油和稀薄氢气-空气混合物无法覆盖整个气缸容积，尤其是活塞顶部缝隙和冷缸壁附近的淬熄层，导致柴油未氧化。NO_X排放方面，单脉冲HDDF模式在低HES（≤12.81%）时BSNO略有下降（稀混合气降低平均缸温），但HES超过12.81%后，氢气快速火焰传播和强烈放热导致局部高温，BSNO持续上升至71% HES。双脉冲喷射策略有效降低燃烧温度，在DF和RCCI模式下均保持极低BSNO排放。HD-RCCI模式下，预喷柴油与空气充分混合，主喷后产生较长点火延迟，降低局部柴油热点和平均气体温度，实现极低NO_X，同时碳烟也降低。但预喷正时过早（如110/14 °CA BTDC）导致碳烟回升，且低温燃烧特性使CO增加，早喷导致壁面湿润引起HC排放上升。

**能量分析：** 第一定律能量分析表明，HDDF模式下能量效率随HES增加而降低。12.81% HES时制动功率较纯柴油降低，但HES增至58.06%时制动功率恢复至纯柴油水平，归因于优化的柴油喷射正时（17 °CA BTDC）促进氢气/柴油/空气混合。双脉冲喷射策略下（50% HES），HDDF和HD-RCCI模式的能量输出均降低，原因是峰值HRR和峰值温度下降；HD-RCCI模式中早喷导致壁面湿润和不完全燃烧，同时排气中氢泄漏增加未计入能量损失。

**火用分析：** 第二定律火用分析显示，HDDF模式下火用破坏（X_d）随HES增加而升高，归因于氢气快速层流火焰传播速度将化学能释放集中在较窄曲轴转角窗口内，产生更陡峭的压力上升，局部温度梯度增大导致熵增。预混燃烧发生在TDC之前，燃料火用在活塞上行时释放，无法有效转化为制动功，形成“第二定律税”。HD-RCCI模式（50% HES，双脉冲）中，X_d同样随预喷正时提前而增加，局部稀/浓区或失火极限导致未燃HC、CO及中间产物，化学火用降低。

**可持续性与环境影响评估（火用环境分析）：** 环境影响指数（EII）分析显示，HES与EII之间存在明确正相关关系。尽管HDDF燃烧存在“第二定律税”（X_d从66%增至71%），但CO₂排放的显著降低主导了计算结果，表明增加氢气贡献具有净环境优势，在70.92% HES时达到最佳可持续性-性能平衡。

**经济分析或火用经济评估：** 成本效益分析显示，HD-RCCI模式从CDC/HDDF转换本质上是一种权衡：以略高的经常性燃料费用换取较低资本支出和简化排放合规。HD-RCCI模式下BSEC增加（21.990 MJ/kWh），火用破坏成本（C_d）上升，但绕过昂贵的SCR和DPF系统可产生“排放合规节省”。在高碳税或排放控制要求昂贵的市场中，该策略更具经济可行性。HD-RCCI模式实现NO_X减排74.78%，降低合规成本，同时减少后处理负荷。

**四、讨论与结论**

研究人员总结讨论指出：HDDF模式中用氢气替代柴油可减少点火延迟并提前SOC，虽提高峰值缸压但降低峰值HRR；BTE随HES增加而降低，BSEC相应上升；CO和碳烟排放减少而归因于H/C比提高和OH自由基氧化作用，但HC排放增加；单脉冲HDDF模式在高HES下NO_X增加，而双脉冲策略在HD-RCCI模式中通过降低燃烧温度有效减少NO_X。火用破坏随快速燃烧和热力学不可逆性增加而升高，但CO₂显著减少使氢能转换具有环境优势，EII在70.92% HES时达最优平衡。向HD-RCCI模式过渡代表战略性权衡：较高燃料成本被绕过后处理系统的资本节省所抵消，使其在高碳税市场中具有经济可行性。总体而言，H₂是柴油机在负荷条件下减少含碳排放的有效替代燃料，尽管HDDF模式面临轻微BTE降低。研究受限于最大71% HES，进一步增加HES在低负荷条件下会因柴油量不足而失火。未来方向建议在低负荷条件下从PFI过渡至氢气直接喷射（DI），以克服容积效率损失和边界层淬熄问题。