关于直喷策略对氢气/汽油双燃料火花发动机燃烧与排放特性的实验研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Experimental study on the effects of direct injection strategies on combustion and emission characteristics of a hydrogen/gasoline dual-fuel spark engine

　　

沈博|苏岩|徐一春|李晓鹏|谢芳熙|刘俊龙

中国吉林省长春市130025，吉林大学汽车底盘集成与仿生学国家重点实验室

摘要

为研究直喷策略对氢气/汽油双燃料发动机燃烧及排放性能的影响，将一台涡轮增压直喷汽油发动机改装为可使用氢气和汽油的双燃料发动机，并配备了直喷系统。在化学计量比和稀燃条件下进行实验，探讨了氢气直喷时机、氢气ESR值以及λ值对缸内压力、HRR值、燃烧阶段、循环变化、BTE值以及排气排放的影响。实验结果表明，添加氢气能显著缩短火焰早期发展时间，从而加快火焰传播速度，提前燃烧阶段，提升P_max和BTE值，由于燃烧更完全，HC和CO排放量有所降低，但缸内温度升高导致NO_X排放增加。EOI对混合气形成和燃烧性能有显著影响，?180°CA ATDC被确定为最佳喷射时机，该时机能确保足够的混合时间并实现良好的燃烧相位。在稀燃条件下，通过控制ESR值和λ值可实现效率与排放之间的平衡。过稀的混合气或过晚的喷射时机会延长燃烧时间，增加循环变化并产生更多不完全燃烧产物。

引言

随着全球碳排放法规日益严格以及能源结构转型需求日益迫切[1]，汽车行业面临着在保持发动机性能和可靠性的同时实现脱碳和减排的前所未有的挑战[2,3]。内燃机仍然占据全球交通领域的主导地位[4]，但其对化石燃料的过度依赖导致了温室气体排放和空气污染等严重环境问题[5,6]。作为一种清洁燃料，氢气具有较高的层流火焰速度（是汽油的5-8倍）且燃烧范围广，这有助于提高汽油发动机的燃烧效率[7,8]，尤其是在低负荷工况下，同时还能减少HC和一氧化碳CO的排放[9,10]。此外，氢气较低的点火能量使其能够实现超稀空燃比的稳定燃烧，而其稀燃特性则允许更高的压缩比[11]。这些优点共同使得氢燃料发动机相比传统汽油发动机具有更高的指示热效率以及更好的能量利用效率[12]。另外，作为无碳燃料，氢气应用于内燃机时能够有效减少全球CO₂排放量[13]。然而，氢燃料发动机的普及仍面临诸多挑战，包括异常燃烧现象（预燃和爆震）[14,15]、高燃烧温度导致的NO_X排放增加[16,17]，以及需要优化燃料供给策略以平衡性能与排放问题。

为解决这些问题并提升氢燃料的应用水平，人们开展了大量研究[18]。一种有效的办法是采用稀燃技术[19]或EGR技术[20]来抑制爆震并减少NO_X的产生[21]。另一种方法是在双燃料发动机中将氢气与其他燃料结合使用[22]。Wittek等人[23]使用定制的燃气混合器，在涡轮增压直喷发动机中测试了生物合成气与氢气的混合物。他们发现，较高的氢气含量可以提高热效率并增强燃烧稳定性，而较低的氢气含量则会延长燃烧时间，增加循环变化，并降低NO_X排放。Wang等人[24]对稀燃氨氢火花点火发动机进行了仿真研究。他们发现，过稀的混合气会延迟燃烧并造成排放方面的权衡，而较高的点火能量以及添加氢气则能提高火焰稳定性并降低排放。在利用双燃料策略抑制爆震方面，Purayil等人[25]对氢气-汽油双燃料发动机的点火时机进行了实验研究。在上止点附近延迟点火可将氢气爆震极限从每分钟8升提高到14升。提前点火虽能提升性能，但会增加NO_X排放，而添加氢气则能提高燃烧稳定性。Wu等人[26]在高压比的高氢浓度天然气发动机上采用了直接水喷射技术。他们发现，爆震主要发生在进气阀附近，?150°CA ATDC是最佳的水喷射时机，该时机能实现最佳的爆震抑制效果、最高的熱效率以及最低的NO_X排放量。

燃料喷射策略是决定双燃料发动机燃烧及排放性能的核心因素之一，因为它直接影响空燃混合气的形成、火焰传播过程以及缸内温度分布[27,28]。与传统方法相比，DFSI技术具有显著优势[29,30]。双燃料发动机采用PFI和DI相结合的燃料供给系统，汽油通过进气口喷射，而氢气则直接注入气缸。这种策略既能实现良好的汽油雾化效果并减少颗粒物排放，又能保持氢气直喷带来的高容积效率[31]。此外，它还能缓解氢气较低点火能量所带来的爆震倾向[32]，尤其是在化学计量比工况下。

现有关于氢气/汽油双燃料发动机的研究已经证实，直喷技术有助于提升发动机性能并减少排放[33]，但仍存在一些亟待解决的问题。大多数现有研究主要分析了单一氢气喷射参数对发动机性能的影响，而氢气直喷与进气口汽油喷射之间的协同作用对缸内混合气形成、火焰传播及燃烧稳定性的影响尚未得到系统性的阐明。在不同稀燃程度下，实现热效率与NO_x排放水平平衡的最佳氢气喷射时机有所不同，而且针对不同过量空气比的喷射参数调整规律也缺乏足够的实验验证。

为探究氢气直喷策略对氢气-汽油双燃料发动机低负荷稀燃状态及排放特性的影响，研究人员对一台涡轮增压进气口喷射式汽油发动机进行了改装，为其配备了独立的氢气直喷系统。在改进后的试验台上，汽油通过进气口喷射，而氢气则采用缸内直喷方式。在低负荷工作条件下，深入研究了核心氢气喷射参数对燃烧特性及排气排放的影响规律。明确氢气喷射策略对稀燃性能的调控机制，可为双燃料供给参数的最佳匹配提供实验依据，也为高效、清洁地应用氢气混合汽油发动机奠定基础。

章节节选

试验发动机与燃料

本研究中所使用的试验发动机为一台涡轮增压直列四缸氢气/汽油双燃料发动机，其压缩比为9.6，该发动机是由大众汽车的EA888发动机改装而来。该发动机的排量为2.0升，其详细技术参数见表1。对于直喷系统，其直喷压力可在0-8?MPa范围内调节。PFI系统则通过ToCeil CMFG025燃油喷射装置将汽油输送到进气歧管中

直喷策略对燃烧特性的影响

如图4所示，由于氢气具有较高的层流火焰速度，因此能够加速燃烧过程，这一加速效应在缸内压力、HRR值以及RP值上都有明显体现。与常规燃料相比，氢气更快的层流火焰传播速度缩短了整体燃烧时间，使得发动机气缸内的能量释放更为迅速，从而导致缸内压力显著上升

结论

• (1)
  添加氢气能显著缩短CA0-10时间，提前燃烧阶段，并提升制动热效率。它还能提高燃烧完全度，从而减少HC和CO的排放，但由于缸内温度升高，NO_X排放量会增加。CA0-10是连接氢气添加效果、燃烧性能改善以及排放权衡的关键机制。
• (2)
  氢气喷射时机对混合气形成及燃烧稳定性起着决定性作用。无论是化学计量比工况还是稀燃工况，?180°CA ATDC都是最佳喷射时机

CRediT作者贡献说明

沈博：资源提供、软件使用、研究指导、结果验证、数据可视化、论文初稿撰写、论文审阅与修改。苏岩：资金筹集、论文初稿撰写、论文审阅与修改。徐一春：资源提供、软件使用、论文初稿撰写。李晓鹏：实验研究、研究方法设计。谢芳熙：资金筹集、实验研究、研究方法设计、论文审阅与修改。刘俊龙：数据整理、定量分析、项目管理、软件应用。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52472407）以及吉林省科技厅的科技人才项目（编号：20250601072RC）的支持。