《Results in Engineering》：Pilot-Injection Strategies for Diesel/Dissociated Methanol Gas Dual-Fuel Engine: CFD Analysis and RSM–NSGA-Ⅱ Optimization
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为解决氢富集导致的爆震强度(KI)和氮氧化物(NOx)排放增加问题，本研究针对柴油/裂解甲醇气(DMG)双燃料发动机，开展了基于计算流体动力学(CFD)的预喷策略优化研究。通过响应面方法(RSM)与非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)相结合的多目标优化，最终实现了指示热效率(ITE)提升1.23%、碳烟排放降低37.0%，同时爆震强度显著降低65.3%的优化效果，为高效低碳的氢能发动机技术提供了新路径。
在全球碳中和背景下，柴油机作为重型运输的主要动力源，其高氮氧化物(NOx)和颗粒物排放问题亟待解决。甲醇作为一种绿色可再生替代燃料，因其固有氧含量和强充量冷却效应，能显著降低碳烟排放，并在许多工况下有助于减少NOx。然而，甲醇的直接应用存在诸多限制：需要双喷射系统增加了硬件和控制复杂性；其低十六烷值倾向于延长点火延迟；改变的燃烧过程通常导致未燃烃(HC)和一氧化碳(CO)排放增加。
为克服甲醇在发动机中直接使用的局限性，本研究引入了裂解甲醇气(DMG)。DMG通过利用排气废热热催化裂解甲醇产生，生成富含氢气(H2)和一氧化碳(CO)的重整气。这种重整气通过进气口引入，避免了双燃料喷射系统的需求。在此方法中，甲醇作为氢载体，消除了与传统氢储存相关的高压或低温要求。氢的存在提高了燃烧稳定性和速度，从而带来更高的热效率和更低的碳烟、HC和CO排放。然而，重整气中氢浓度的增加导致气缸压力上升率增加和更剧烈的燃烧过程，使得峰值气缸压力超过传统柴油机操作。此外，伴随的燃烧温度升高可能加剧NOx排放。
尽管先前研究已经考察了柴油和氢喷射策略对双燃料发动机燃烧和排放的影响，但它们对爆震行为的影响关注有限。大多数现有研究侧重于效率和放热特性，与爆震相关的效应仍未充分探索。为填补这一空白，本研究将爆震强度(KI)作为额外评价指标纳入，为喷射策略与爆震倾向之间的相互作用提供了新见解。
本研究在《Results in Engineering》上报道了针对柴油/DMG双燃料发动机预喷策略的系统研究。研究人员首先通过CFD模拟分析了DMG掺混比(φ)对发动机性能和排放的影响，确定了30%为最佳掺混比。在此基础上，重点研究了预喷策略（包括预喷定时(SOPI)、预喷比例(PIR)和喷射间隔(II)）对燃烧特性、排放和爆震倾向的调控作用。通过结合响应面方法(RSM)和非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)的多目标优化框架，最终获得了能同时提高热效率、降低排放并抑制爆震的优化喷射策略。
主要技术方法
本研究主要采用了计算流体动力学(CFD)模拟、实验验证、响应面方法(RSM)实验设计以及非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)多目标优化等关键技术方法。CFD模型基于一台六缸柴油机的几何结构建立，采用了45°扇形网格以降低计算成本，并应用了RNG k-ε湍流模型、KH-RT喷雾破碎模型和SAGE燃烧模型等子模型。模型通过实验数据进行了校准和验证，确保了模拟结果的可靠性。基于CFD模拟结果，采用Box-Behnken设计(BBD)方法设计了RSM实验，建立了喷射参数与发动机响应（ITE、NOx、KI和碳烟）之间的数学关系模型，最后利用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化。
3.1. 掺混比对燃烧和排放特性的影响
通过系统改变缸内混合物组成，模拟分析了不同φ（15%-35%）下的燃烧特性。结果表明，随着φ增加，燃烧过程加剧，峰值压力、放热率(HRR)和温度相应增加。在φ=35%时，峰值气缸压力达到17.46 MPa，比基线发动机高4.25 MPa。DMG富集后，HRR曲线呈现明显的双峰特征，这主要归因于H2的高反应性。爆震分析显示，MP2监测点始终表现出最大的压力波动，在φ=35%时，MAPO2峰值达到5.35 MPa。将φ降至30%可显著减弱爆震倾向，KI从3.72 MPa降至1.35 MPa（降低63.71%）。在φ=30%时，ITE达到47.61%，比基线提高2.11%，IMEP升至1.73 MPa，碳烟排放降低30.64%，CO2比排放降低5.82%。然而，NOx排放增加至18.04 g/kWh，是基线的2.18倍。
3.2. 喷射策略对燃烧和排放的影响
3.2.1. 喷射间隔的影响
在固定φ=30%和PIR=10%条件下，研究了II（10°CA-30°CA）的影响。短期间隔（10°CA）下预燃烧不充分，未完全消耗可用H2，主喷阶段O2含量最高，温度和OH浓度最低，燃烧行为接近单次喷射。随着间隔增加至20°CA，预燃烧更完全，缸内温度和OH浓度同时上升，OH浓度达到最大，对主燃烧过程的促进和强化最为有效。进一步增加间隔会导致主喷定时在上止点后，预燃烧提供的预热和化学活化逐渐减弱，主燃烧的速率和强度随后下降。爆震分析表明，应用预喷后压力轨迹更早偏离纯压缩线，整体燃烧相位提前。随着II增加，压力轨迹逐渐发展出双峰，KI持续降低。在II=20°CA时，性能最优，ITE和IMEP达到最佳值。
3.2.2. 预喷比例的影响
在固定φ=30%和II=20°CA条件下，研究了PIR（5%-30%）的影响。PIR强烈影响缸内温度和自由基场。随着PIR从10%增加到30%，高温区域扩大并更加连续，反映了预喷燃料增强的预热效应。OH自由基分布呈现类似趋势，在较大PIR值时整个燃烧室内浓度显著更高，表明早期自由基形成加速并 consequently 促进了燃烧。缸压曲线呈现明显的双峰特性。随着PIR增加，HRR的第一个峰逐渐增加，第一个压力峰逐渐增加并前移，伴随压力上升率加速。引入仅10%的PIR就使KI显著降至0.2 MPa，表明小预喷量可有效减轻爆震倾向。然而，IMEP和ITE随着PIR增加持续下降，表明过量预喷会恶化整体热效率和功率输出。在PIR=10%时，ITE达到46.4%，比之前的45.17%提高1.23%。
3.3. 基于RSM和NSGA-Ⅱ的多目标优化
基于单因素分析确定的参数范围，采用RSM建立了SOPI、II和PIR与ITE、NOx、KI和碳烟排放之间的数学模型。方差分析(ANOVA)表明所有四个模型的p值均小于0.005，表明模型高度显著。确定系数(R2)、调整R2(Adj. R2)和预测R2(Pred. R2)值均大于0.85，证实了模型对实验数据的强拟合能力及其预测的稳健泛化性能。三维响应面分析揭示了参数间的相互作用：提前SOPI促进预混燃烧，合理的PIR防止过早的相位并促进主燃烧阶段，II决定两个燃烧阶段的耦合效应。最终，结合NSGA-Ⅱ进行多目标优化，以KI为约束，同时最大化ITE、最小化碳烟和NOx排放。优化后的策略（SOPI=-21.86°CA, II=19.79°CA, PIR=6.1%）使ITE从45.50%提升至46.73%（增加1.23%），KI从0.19 MPa锐减至0.066 MPa（降低65.26%），NOx从8.28 g/kWh适度增至9.59 g/kWh（增加15.82%）。
结论与意义
本研究系统阐明了DMG和柴油喷射策略对柴油机性能的影响，并开发了RSM-NSGA-Ⅱ混合优化算法。主要结论包括：DMG双燃料操作在φ=30%时展现出最佳性能，ITE提高2.11%，碳烟和CO2排放分别降低30.61%和5.82%；预喷策略通过调整II和PIR有效降低了爆震倾向；RSM模型成功揭示了SOPI、PIR和II之间的相互作用；多目标优化最终实现了在显著降低KI（-65.26%）的同时提高ITE（+1.23%）的目标，且NOx排放仅适度增加（+15.82%）。该研究为在高氢富集条件下实现稳定、高效、低碳的发动机运行提供了切实可行的技术方案，促进了可再生燃料的清洁高效利用。
