《Journal of the Energy Institute》：Experimental and Numerical Investigation of High-flow-rate Injection Focusing on Improved Thermal Efficiency and Output Performance in Low-pressure Direct-injection Hydrogen Engines
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高流速氢气直接喷射在低压条件下的发动机性能及混合过程研究。通过燃烧测试与计算流体动力学（大涡模拟）分析，发现高流速喷射可优化混合位置并降低冷却损失，使热效率提升2-3%，同时配合超级充电实现功率输出增强。
下村信宏|及川正邦|山田清也|三原雄二|高木康夫
东京都市大学高效氢发动机与发动机摩擦学研究中心，日本东京世田谷区玉津水1-28-1，邮编158-8557
摘要
目前，人们正在积极开发直接氢喷射器，以实现低压力下向发动机气缸内高流量喷射氢气，从而推动氢能在内燃机中的应用。本研究评估了在低氢供应压力下，直接氢喷射器高流量喷射对发动机性能的影响。通过对火花点火氢发动机的燃烧测试，并结合大涡模拟（LES）对喷射流和混合气形成过程进行计算流体动力学分析，研究发现：由于高流量喷射导致气缸内气体流动减弱以及混合气位置的变化，热效率提高了2-3%。这表明，在低压直接喷射氢发动机中，高流量喷射不仅对于通过增压实现高功率输出至关重要，而且通过优化喷射时机也能有效提升热效率。
引言
为减缓全球变暖的趋势，各国正在迅速采取措施减少二氧化碳（CO2）排放。日本于2020年12月制定了“2050年实现碳中和的绿色增长战略”，并设定了减少CO2排放的各种量化目标[1]。全球范围内也在推进类似的努力[2]、[3]。燃料的脱碳被视为实现碳中和的关键措施。
氢燃料不含碳，因此其使用产生的废气中不含CO2。此外，氢可以从可再生的一次能源中生产[4]；它可以被储存[5]、[6]、[7]，并通过管道和液态有机氢载体（LOHCs）[8]、[9]、[10]高效运输。鉴于氢燃料的优良燃烧特性，目前正在进行大量研究和开发工作，旨在将其单独使用或与其他燃料（如天然气、柴油甚至氨）混合，应用于从交通工具到发电的各种内燃机（ICEs）[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。由于这些技术可以在现有生产线上进行少量修改后投入使用[17]，预计它们能在相对较短的时间内上市。另外，通过改造现有的发动机，也可以低成本地实现向氢燃料的转换。因此，预计兼容氢燃料的现有内燃机将成为氢能应用中最直接的应用领域之一。
对于单独使用氢燃料的内燃机，将现有发动机改造成使用氢燃料的最简单方法之一是通过进气口供氢。这是因为大部分现有发动机的结构无需进行重大改动即可采用这种方法。然而，这种方法存在回火问题[18]、[19]、[20]、[21]。因此，人们开始关注在进气阀关闭时直接向气缸内喷射燃料的直接喷射技术。迄今为止，已有许多关于直接喷射的研究结果被报道[22]、[23]、[24]、[25]。
在东京都市大学（TCU），研究人员正在研究一种适用于大规模发电的直接喷射系统[26]、[27]。他们提出了一种基于直接燃料喷射的新燃烧系统，称为“羽流点火与燃烧概念”（PCC）[28]，该系统结合了稀燃、优化的燃料喷射参数和增压技术，实现了超过50%的热效率以及接近零排放的氢发动机[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。近年来，人们开始关注低压直接喷射（LPDI），即在保持直接喷射的同时将氢供应压力降至最低。研究表明，通过优化喷射器参数并将燃料供应压力从之前的10 MPa降低到3 MPa，仍可实现与之前相同的高效率和接近零排放的性能[35]。这样一来，可以使用来自天然气管道的相对低压氢气，或者最大限度地减少压缩机的能耗。整个系统的优化表明，氢燃料设备在社会中的应用前景更加广阔，氢的用途也将得到扩展。
近年来，许多地方都在开展关于1.5至5.0 MPa压力范围内氢喷射器的研究与开发[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。特别是具有向外开启阀体的喷射器类型，能够在有限的喷射时间内将更大体积的氢气注入气缸，即使在低压力下也是如此。人们认为这项技术将扩大LPDI氢发动机的可能性[41]。
为了弥补因降低喷射压力而减少的喷射量，并实现更高发动机输出所需的增压，提高氢喷射器的喷射速率至关重要。此外，缩短喷射时间还能延长燃料喷射结束后的空气-燃料混合时间，从而有助于在气缸内形成更稀薄、更均匀的混合气，有利于燃烧。然而，在相同喷射压力范围内改变喷射速率对混合气形成和发动机性能的影响尚未进行研究和评估。
基于上述氢发动机的研究与开发活动，本研究的目的是评估高喷射速率喷射器对发动机性能（如热效率和NOx排放）的影响。这种喷射器旨在适应未来高热效率氢内燃机所需的较低氢供应压力。同时，还评估了由于喷射速率增加而通过增压提高功率输出的潜力。本文还描述了燃烧室内喷射流和混合气形成过程随时间变化的详细情况，这些信息是通过本研究中使用的计算流体动力学（CFD）分析方法获得的。
测试发动机规格
图1展示了实验中使用的单缸发动机燃烧室的配置，该发动机基于日产柴油机公司（现UD Trucks Corp.）生产的FD1发动机。表1列出了主要发动机规格。这台火花点火发动机的缸径为108毫米，排量为1054毫升，活塞顶部呈碗状加工。它配备了螺旋形进气口，以在气缸内形成旋流。氢喷射器位于...
CFD仿真方法
针对实验中使用的测试发动机创建了一个三维模型，并进行了专注于自然吸气（NA）工况下压缩冲程中燃料喷射和混合气形成过程的CFD仿真。在燃料喷射过程中，由于燃料喷射流中的涡流层和喷射流内部的湍流混合，不稳定现象较为显著。因此，采用了能够...
实验结果与讨论
图3显示了高流量喷射（HFI）对发动机性能的影响以及喷射开始时间（SOI）对燃烧过程特性的影响。在所有SOI条件下，HFI的热效率比LFI高出2-3%。在SOI为55度BTDC的情况下，HFI的热效率超过了50%。由于HFI的冷却损失指数显著低于LFI，可以认为...
喷射流特性
图4展示了在NA工况下，LFI和HFI喷射流生长过程的计算结果对比。这些等高线图显示了两个截面的过量空气比（λ）：一个是通过喷射器和气缸中心的垂直截面，另一个是通过活塞顶部上方1毫米高度的水平截面。图中颜色越红，表示混合气越富集...
CFD仿真得到的喷射流形状验证
本节展示了实验中使用的直接氢喷射器产生的氢喷射流的可视化结果，并将其与CFD仿真结果进行比较，以验证仿真模型的准确性。所使用的可视化技术包括Schlieren摄影和利用丙酮气体的平面激光诱导荧光（acetone PLIF）。
LPDI氢发动机通过增压提升输出功率
进行了增压运行测试，使用外部增压器来提高进气压力。测试条件与前一节描述的一致。所使用的喷射器为HFI，氢供应压力为2.5 MPa，过量空气比为3.0。
结论
本研究评估了高流量氢喷射对发动机性能的影响，这种喷射方式提高了氢喷射流量，以适应直接喷射氢发动机降低的喷射压力。此外，还进行了基于LES的详细CFD数值分析，以明确高流量喷射对氢喷射流和混合气形成过程的影响以及发动机性能提升的原因。研究结果如下：
(a)高流量...
CRediT作者贡献声明
下村信宏：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、软件开发、项目管理、方法论设计、数据分析、概念构建。山田清也：资源调配、数据管理。及川正邦：撰写 – 审稿与编辑、监督、数据分析。高木康夫：撰写 – 审稿与编辑、监督、数据分析。三原雄二：撰写 – 审稿与编辑、监督
9. 致谢
本文基于日本新能源与工业技术发展组织（NEDO）资助的项目JPNP0822001获得的结果。
在本研究过程中，得到了日本先进工业科学技术研究所（AIST）的Shimura Masayasu先生的支持，他在氢喷射流的可视化与测量方面提供了帮助。作者们对此表示感谢。
