专为零碳排放重型卡车设计的大排量氢直接喷射发动机的性能分析

氢发动机测试台构建及二次喷射策略优化研究。通过建立15L重型氢发动机实验平台，对比氢油共注(HPI)、单氢直接喷射(HDI)及二次氢直接喷射策略下燃烧特性与NOx排放，结合CFD模型验证发现：当二次氢喷射比例20%、相位60°CA BTDC时，指示热效率达47.80%，较HPI提升3.55%。

　　

严丽|左青松|刘旭|寇传福|陈俊杰|朱国辉|王辉|宁德忠|陈伟

湘潭大学机械工程与力学学院，中国湘潭411105

摘要

当前交通领域实现碳峰的目标迫切需要开发零碳发动机动力系统。作为绿色且零碳的能源，氢能为下一代内燃机（ICE）的研发和应用提供极具吸引力的途径，而商用重型卡车则是氢内燃机的一个有前景的应用领域。因此，在本文中，我们搭建了一个15升重型火花点火氢发动机测试平台，并获得了三种发动机转速条件下的压力、热释放率和氮氧化物（NOx）排放数据。随后，建立了一个结合化学反应机制的计算流体动力学（CFD）模型，并对其准确性和可靠性进行了验证。比较了不同氢气供给方式（氢气进气口喷射（HPI）、单次氢气直接喷射（HDI）和二次氢气直接喷射（secondary HDI）的影响。特别是研究了二次氢气直接喷射策略中的二次氢气喷射比例（SHIR）和喷射时机（SHIT）对缸内流动、燃烧和NOx特性的影响。结果表明，与HPI方式相比，采用HDI方式时混合气不均匀性（I值）明显增加。有趣的是，某些HDI方案由于缸内燃料浓度的高低区域同时存在且变化较大，导致I值较高。总体而言，分阶段喷射氢气可以改善燃烧特性和功率输出。其中，SHIR=20%和SHIT=60°CA BTDC的方案是最优应用策略，其指示热效率（ITE）达到了47.80%，相比HPI方案提高了3.55%。

引言

在全球能源消耗不断上升和温室气体（GHG）减排挑战日益严峻的背景下，传统的内燃机（ICE）面临着前所未有的挑战（Lou等人，2025年；Liang等人，2024a年）。由于内燃机使用不可再生的石油衍生物作为燃料，并且在运行过程中不可避免地会产生大量温室气体（Moreno-Cabezas等人，2025年），根据国际能源署的数据，交通运输领域的二氧化碳（CO₂）排放量占全球总排放量的近四分之一（IEA，2024年），而内燃机车辆是主要排放源之一。零碳清洁能源也为内燃机的发展带来了新的机遇（Yang等人，2025a年）。各种类型的零碳燃料内燃机，如往复活塞式（Beyer等人，2025年；Novella等人，2024年）、汪克尔转子式（Liu等人，2025年；Lei等人，2025a年）和椭圆转子式（Yang等人，2025b年；Gao等人，2025年）的研发，可以有效减少碳排放，有助于实现碳中和目标。

氢气是一种高效且清洁的能源载体（Zhang等人，2026年），许多国家表示将推动氢能产业的高质量发展（Wang等人，2024a年）。氢内燃机是利用氢能的实用方法之一（Scalambro等人，2025年；Zhu等人，2026年），它可以利用成熟完善的内燃机产业链以低成本实现氢能的利用。此外，氢气作为内燃机燃料还具有以下优势：首先，其能量密度极高，燃烧时能提供足够的能量以实现高功率输出（Zhou等人，2025年）；其次，辛烷值高且自燃温度高，通过提高压缩比可以进一步提高热效率（Turner，2025年）；同时，点火能量低且燃限宽，因此可以采用稀薄燃烧来提高热效率并减少氮氧化物（NOx）排放（Shahid等人，2024年）。氢气的燃烧产物仅为水，完全避免了温室气体和其他污染物的排放（Gabana等人，2025年）。

目前，关于氢内燃机的研究主要集中在氢气进气口喷射（HPI）和氢气直接喷射（HDI）上。在HPI模式下，氢气通过进气口注入，这种方式结构简单且成本较低。但由于氢气占据了一定的气缸容积，会导致容积效率下降，从而降低功率输出，并容易引发回火现象（Goyal等人，2024年）。而HDI模式下，氢气直接喷射到燃烧室中，可以提高容积效率（Hong等人，2023年；He等人，2026年），控制燃烧过程，实现更精确的燃料喷射，从而增强燃烧和动力性能（Khalid等人，2024年；Lei等人，2025b年）。通过比较HPI和HDI两种模式，发现HDI模式可以提高内燃机的燃烧效率和功率输出（Lu等人，2024a年），但也会增加NOx排放（Lu等人，2024b年）。

鉴于直接喷射技术能带来更好的发动机性能，目前大多数关于氢内燃机的研究都集中在HDI发动机上。对于HDI发动机而言，不同的喷射策略对其影响最为显著（Park等人，2022年）。关于喷射时机的研究指出，适当的喷射延迟会降低混合气的均匀性，在靠近火花塞的区域形成混合层，有利于促进燃料燃烧，减少壁面热损失并提高内燃机的热效率（Huang等人，2024年；Wei等人，2023年）。在二次喷射策略方面，Liang（Liang等人，2024b年）和Zhang（Zhang等人，2024年）发现采用二次喷射可以提高燃烧效率并提升热效率，但NOx排放会增加。Wang等人（2024b）发现二次喷射会在气缸内形成混合层，指示热效率（ITE）可达到44.72%。Li等人（2019年）发现适当的二次氢气喷射量和喷射时机可以改善热效率。表1总结了上述关于二次氢气喷射策略的研究及其相关发动机信息。

在其他直接喷射策略方面，Wang等人（2024b）发现要获得44.05%的最大热效率，需要综合调整导向器结构、喷射参数和喷射压力。Chen等人（2024年）研究了氢气喷射角度对混合气形成的影响，通过优化喷射角度和位置，实现了41%的热效率。Lou等人（2024年）优化了四种不同的氢气喷射压力曲线，发现在不同发动机转速下选择不同的喷射压力可以提升功率输出并改善燃油经济性。Fu等人（2023年）发现增大喷嘴直径和缩短喷射时间可以促进混合气均匀性，使热效率提高到50.1%。

总之，研究人员在HDI发动机方面开展了多项工作，燃料喷射策略显著提高了热效率并减少了CO₂排放。然而，目前大多数研究仅针对单次氢气喷射技术，关于二次氢气喷射策略的研究较少。预计未来对二次氢气喷射的研究将主要集中在中小排量发动机上，而大排量发动机的相关研究仍较为缺乏。此外，现有研究主要比较了单次氢气喷射和二次氢气喷射，尚未对HPI、单次HDI和二次氢气喷射进行综合评估。

考虑到商用重型卡车是氢内燃机极具潜力的应用领域之一，同时直接喷射技术是推动氢内燃机实际应用的关键技术，因此开展大排量重型氢内燃机的相关研究至关重要。基于这一背景，本文首先在玉柴15.0升排量的HPI发动机测试平台上实验评估了不同转速（1000 rpm、1400 rpm和1700 rpm）下的燃烧数据和NOx排放。其次，建立了结合化学反应机制的三维数值计算模型，并利用实验数据在测试条件下进行了验证。然后，研究了不同氢气喷射方式（HPI和HDI）和二次直接喷射策略对发动机燃烧和排放性能的影响。最终，这些发现可以为优化HDI发动机中的氢气喷射策略提供工程指导。

章节摘录

发动机实验过程

使用的YCK15 HPI发动机测试平台具有6个缸体，每个缸体的排量为2.5升（如图1所示）。实验过程中，使用测功机测量转速和扭矩，并通过专用仪表监测进气和氢气的质量流量，以维持目标过量空气系数（λ）值。点火时机（IT）由电子控制单元（ECU）调节。每个缸体都装有压力传感器和外部燃烧分析仪

二次氢气喷射比例的影响

首先，将研究二次氢气喷射比例（SHIR）对发动机燃烧和排放的影响。第一次氢气喷射时机（FHIT）设定为120°CA BTDC，二次氢气喷射时机（SHIT）设定为60°CA BTDC。同时，SHIR以10%的步长从10%增加到40%。此外，为了系统研究二次氢气喷射策略的影响，设置了两种常见的实际方案，即HPI和单次HDI

结论与展望

本研究系统地探讨了二次氢气喷射策略对大排量重型氢内燃机性能的影响，结合了实验测试和经过验证的CFD模拟。主要目的是评估分阶段喷射参数对混合气形成、燃烧特性和NOx排放的影响。主要结论如下：

1.

本研究证实，从HPI转向HDI从根本上改变了混合气的性质

CRediT作者贡献声明

严丽：撰写——初稿，软件开发，数据分析。左青松：监督，资源提供，数据分析。刘旭：撰写——初稿，验证，数据分析。寇传福：监督，资源提供。陈俊杰：数据分析。朱国辉：调查，数据分析。王辉：监督，资源提供。宁德忠：监督，资源提供，数据分析。陈伟：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，软件开发，资源提供，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了广西科技重大专项（GuikeAA24206057）、湖南省教育厅科研基金（24B0156）、中国博士后科学基金（2023MD734160）、湖南省自然科学基金（2023JJ10042和2025JJ70096）、广西博士后专项基金（2023011和2024053）以及车辆测量控制开放研究基金（QCCK2025-0020）项目的支持