根据各行业对全球变暖潜能的贡献（以CO2当量吨表示），交通运输占总排放量的大约10% [1,2]。氢在燃烧过程中仅产生水蒸气，不会产生CO、CO2或HC排放物 [3]，因此被视为脱碳战略的关键支柱。它通过解决电动汽车在充电时间和续航里程方面的局限性来补充电动汽车 [4]。欧盟设定了2040年生产2500万吨绿色氢的目标，这被视为在不同情景下具有成本效益和可行性的途径 [5]。在氢技术中，燃料电池汽车具有高效率且零尾气排放，但需要稀有金属、高纯度的氢和昂贵的基础设施。相比之下，氢内燃机（ICE）可以利用现有的制造和维护系统，能够容忍低纯度的氢，并作为一种成本效益高的低排放选项 [6]。作为对氢燃烧优势的实际响应，氢已被广泛探索用于与传统燃料和氨的双燃料配置中作为燃烧增强剂 [[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。尽管氢可以在双燃料配置中有效促进燃烧，但当氢作为唯一燃料时，稳定和高效的运行变得更加困难。在这种情况下，主要约束从混合气反应性转变为点火效率，使得燃烧性能强烈依赖于早期火焰核的形成。
尽管通过先进的喷射和燃烧策略，氢内燃机已被证明可以实现超低排放和具有竞争力的效率 [18]，但由于氢的广泛可燃性范围，通常采用稀薄燃烧操作来抑制NOx的形成。然而，在高度稀释的条件下，较慢的火焰传播可能导致燃烧不完全、失火和循环变异性增加 [19,20]。虽然氢的高燃烧温度可能在接近化学计量的条件下促进NOx的形成，但稀薄燃烧操作有效地降低了气缸内的温度并减少了NOx排放 [21]。尽管如此，稀薄燃烧条件下的燃烧稳定性和负载能力仍受到早期火焰形成的强烈限制。为了缓解这些限制，已经研究了各种燃烧控制和燃料供应策略，包括提前点火时间、进气增压、废气再循环 [[22], [23], [24], [25], [26]]、分层喷射和喷射后策略，以及喷射参数的优化 [[27], [28], [29]]。虽然这些方法可以扩展运行范围，但它们通常伴随着氢泄漏的增加或系统复杂性的提高。因此，尽管对空气和燃料路径策略进行了广泛的优化，但在稀薄纯氢运行条件下，点火效率仍然是主要限制因素。
鉴于稳定的稀薄氢燃烧从根本上受到点火和早期火焰形成的限制，越来越多的关注集中在旨在加速早期火焰形成的点火策略上，其中DSP已被广泛研究。在各种燃料、发动机架构和运行条件下的先前研究一致表明，DSP的主要优势在于生成多个点火核，这缩短了有效火焰传播距离并加速了早期热量释放 [30,31]。这种机制已被证明可以提高燃烧完整性并扩展稀薄条件下的可操作性，特别是在非中心点火布局 [32]、几何形状受限的燃烧室 [[33], [34], [35]]、低反应性燃料 [36] 或燃烧时间受限的系统 [37] 等不利条件下。定量实验证据进一步支持了这一解释；例如，Lee等人 [38] 报告称燃烧效率提高了12.73%，同时碳氢化合物排放减少了29.14%。然而，DSP引起的燃烧加速并不必然保证燃烧稳定性的提高，可能会伴随气缸内温度的升高和NOx排放的增加。此外，其有效性对点火时间、火花塞的位置和间距、能量分配以及局部点火环境非常敏感 [39,40]。这些发现表明，DSP是一种依赖于条件的点火策略，其好处主要与早期火焰形成相关，而不是循环燃烧行为的普遍改善。
基于这些发现，Navale等人 [41] 证明，通过简单的歧管喷射修改，SI发动机能够在氢燃料下实现稳定的稀薄燃烧，尽管由于氢的密度较低，制动平均有效压力（BMEP）有所降低。虽然大多数现有研究集中在汽油或氢混合物应用上，但对仅使用氢燃料的小排量发动机的系统研究仍然有限，特别是在高度稀释条件下的点火和早期火焰形成行为的实验研究方面。Lee等人 [42] 通过从恒容燃烧室（CVCC）实验中得出氢燃烧特性，并将其应用于一维发动机模型，预测在化学计量条件下，使用700巴、10升氢储存缸的电动滑板车的续航里程约为114公里。然而，该研究依赖于模型化的燃烧输入，并未在实际发动机中实验性地确定点火延迟、早期热量释放演变或循环间的变化，也没有解决在稀薄纯氢运行期间出现的点火控制限制。相比之下，小排量发动机面临着根本不同的燃烧限制，其中有限的停留时间、较低的热惯性和严格的负载要求使得早期火焰形成的建立成为负载能力和稀薄操作性的决定性因素。因此，本研究通过实验研究了点火策略对小排量氢发动机在高度稀释条件下的早期燃烧发展和负载受限行为的影响。
