由于重型商用车辆对碳排放的贡献显著，减少其碳排放至关重要[1,2]。根据欧盟委员会的数据，重型车辆占欧盟道路运输总碳排放量的25%，以及欧盟总碳排放量的6%[3]。目前，氢内燃机已成为实现重型商用车辆脱碳的关键技术，利用氢的无碳燃烧特性（如宽燃程和高火焰速度）来实现接近零碳排放的运行[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。在氢气供给方式方面，直喷（DI）相比端口燃油喷射（PFI）具有明显优势，包括更高的功率输出和消除了回火风险[[12], [13], [14], [15]]。然而，由于氢气泄漏和喷射器润滑问题[16]，高流量高压喷射器尚未成熟。目前，大规模生产的高流量喷射器工作在相对较低的压力下（例如，BorgWarner的40巴[17]和Bosch的20～40巴[19]）。
点火时刻的气缸内混合气分布至关重要，因为它直接影响点火行为和随后的火焰传播过程。对于低压直喷（LPDI）氢发动机，由于喷射压力较低，需要提前喷射时间以避免气缸高压对喷射器操作的阻碍[20]。这导致喷射时间和点火时间之间的间隔较长，使得氢气混合气更容易受到气缸内整体气流和燃烧室几何形状的影响。此外，与高压DI相比，LPDI技术中的较低喷射压力导致氢气射流的动量较小，穿透距离减小，对流场的扰动也较弱。因此，有必要研究LPDI应用下的混合气形成过程。影响混合气分布的关键因素包括燃烧室几何形状、气体运动、氢喷射器设计以及喷射策略。
现有研究中关于DI氢发动机混合气形成和火焰传播的燃烧系统及喷射参数总结见表1。燃烧室几何形状是通过气缸内整体气流和壁面-射流相互作用影响混合气分布的重要因素。氢DI发动机主要采用两种不同的气缸盖类型：五顶式和平顶式气缸盖。五顶式发动机通常使用平头或凸头活塞，这种燃烧室几何形状促进了气缸内的强烈涡流。关于涡流对混合气形成的影响，Salarza等人[21]报告称，将涡流比从0.24增加到0.96时，混合气分布明显改变；在高涡流比（0.96）下逆涡流喷射氢气会显著减缓射流运动并降低混合气均匀性。相比之下，平顶式发动机通常配备ω型凹坑活塞，有利于形成明显的旋流。关于旋流对混合气分布的影响，Akar等人[22]和Zhao等人[23]都观察到，提高涡流比通常会降低上止点（TDC）附近的混合气均匀性。总之，旋流强度的增加会降低气缸内混合气的均匀性，而在高涡流比下，涡流也会显著影响氢气射流的运动。活塞头几何形状对混合气形成特性的影响也得到了研究。Akar等人[22]比较了四种活塞头设计，发现使用侧置喷射器时，浅碗形设计在点火时刻的混合气均匀性优于原始的ω型凹坑设计和平头设计。ω型凹坑活塞在燃烧室内产生强旋流，而平头活塞则没有明显的缸内流动特性。此外，关于壁面-射流相互作用，ω型和平头活塞的几何形状导致氢气在撞击活塞时损失更多动量，使得喷射后向上滚动速度较慢。
DI氢发动机通常采用外开口喷射器[20]。为了调整氢气射流的方向和分散，常在外开口喷射器尖端安装喷射器盖[17]。因此，喷射器盖的设计是燃烧系统设计的关键方面。一些研究关注氢气射流方向对混合气形成的影响。对于五顶式氢DI发动机，Scarcelli等人[24]发现，当喷射方向与涡流方向垂直时，整体气流对射流运动的影响最小；而在早期喷射时，喷射方向与涡流方向对齐可以加速混合，提高混合均匀性。Salarza等人[21]和Breda等人[25]也得出了类似结论。对于平顶式发动机，Akar等人[22]通过数值模拟证明，逆旋流方向喷射氢气可以改善混合效果。还有一些研究讨论了喷射器盖孔径布置对混合气分布的影响。Zhao等人[23]认为，多孔喷射器盖可以提高混合均匀性，且孔径数量越多，均匀性越好。然而，当孔径数量超过八个时，氢气射流开始相互干扰并塌陷，导致射流分散更加集中，混合均匀性降低。Breda等人[25]也得出了类似结论。总体而言，喷射器设计通过两种重要方式影响混合气形成：首先，喷射方向应与整体气流协调；其次，虽然更多孔径通常可以提高均匀性，但过多孔径会导致射流之间的干扰，降低混合质量。
氢气喷射时间直接影响氢气射流与整体气体之间的混合时间，从而影响混合气分布。Luo等人[26]证明，在1.5L发动机中，将喷射时间从上止点后?160°CA延迟到?40°CA，混合时间缩短，使得?10°CA时的均匀性系数从0.93降至0.43。许多研究[27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]也得出了类似结论。提前喷射时间通过延长混合时间来提高混合均匀性，但Zhao等人[23]指出，在进气阀关闭（IVC）前喷射氢气会降低容积效率。一些研究还表明，喷射时间也会影响氢气射流的运动。Salarza等人[34]发现，在?140°CA ATDC时，延迟的氢气射流与活塞头的相互作用促进了氢气的快速涡流，改善了混合效果，而?80°CA ATDC喷射则导致早期壁面相互作用和氢气在挤压区域的积聚。在Zhao等人[23]的研究中，由于整体气流和氢气射流之间的相互作用，观察到混合均匀性的非线性变化。他们建议在IVC附近或之后不久喷射可以实现良好的均匀性，这得益于残余气体的运动。上述结果共同表明，提前喷射时间通过足够的混合时间和射流发展有利于提高混合均匀性，尽管IVC前的喷射可能会降低容积效率。根据文献，IVC附近的喷射可以有效促进混合气的均匀形成。
尽管现有文献在理解DI氢发动机的混合气形成方面取得了显著进展，但专门针对侧置喷射器和平顶浅碗形燃烧室的LPDI氢发动机的研究仍较少。鉴于这种燃烧系统配置在实际重型氢发动机中广泛应用，研究这种设计下的混合气形成和火焰传播过程至关重要。目前只有Akar等人[22]研究了这种特定配置下的混合气形成，但他们的研究主要关注活塞几何形状的影响，缺乏对最终混合气分布、湍流或火焰传播的深入分析。此外，现有研究主要集中在点火前的混合气分布，对湍流和混合气分布如何影响后续火焰传播的研究有限。为填补这一研究空白，本文应用三维CFD模拟研究了具有侧置喷射器、浅碗形活塞和平顶气缸盖的重型LPDI氢发动机的混合气形成和火焰传播特性。本研究进行了更详细的分析，旨在从三个方面探讨这种特定燃烧系统布局下的混合气形成和火焰传播的潜在机制：（1）了解由氢气射流、气缸内整体气流和壁面引导气流相互作用主导的混合气准备过程；（2）阐明混合气准备（即氢气分布）如何影响火焰传播及其相关的热释放特性；（3）揭示远端混合气中局部火焰熄灭的机制，这影响了未燃烧氢气的排放和热效率。
本研究的主要创新在于揭示了配备侧置喷射器和平顶浅碗形燃烧室的LPDI氢发动机中混合气形成、火焰传播和火焰熄灭的潜在机制。这些方面在现有文献中尚未详细报道，尤其是在火焰传播和熄灭过程方面。本研究对这三个过程进行了广泛的定性和定量分析，并描述了这种发动机配置下混合气形成和火焰传播的独特特征。这些发现为未来优化此类LPDI氢发动机的混合气分布提供了宝贵见解，并进一步推动了氢燃料在内燃机中的广泛应用。
