直喷氢发动机的燃烧稳定性和排放性能：在不同工作条件下过量空气系数（λ）界限的作用

氢燃料发动机 operability 界限与燃烧稳定性研究。基于2.261L涡轮增压DI-H2发动机开展台架试验，系统分析不同工况下λ接近贫油和富油边界时的燃烧特性、排放规律及关键参数相关性，确定稳定运行界限并量化影响机制。

　　

钟伟黄|张云华|娄迪明|方亮|胡志远|谭丕强

同济大学汽车工程学院，上海，201804，中国

摘要

由于氢燃料（H₂）发动机具有零碳排放的特性，它们作为实现碳中和的有希望的途径而受到了越来越多的关注。为了研究涡轮增压直喷（DI）H₂发动机在贫燃和富燃操作极限附近的运行性能和燃烧稳定性，我们在一台2.261升的涡轮增压DI H₂发动机上进行了台架测试。确定了在不同运行条件下稳定运行的贫燃和富燃极限，并系统地分析了这些极限附近的燃烧和排放特性。此外，还采用了相关性分析来量化各种条件下关键运行参数之间的关系。结果表明，在1400转/分钟和50牛顿米的工况下，过低的λ值会导致二次最大气缸压力峰值（P_max），并伴随循环间的波动增加。在测试的速度和负载范围内，随着发动机转速的提高，贫燃操作极限扩展到λ = 4.9。相关性分析进一步证实，发动机转速和λ是控制P_max和燃烧相位变化的主要因素，为DI氢燃料发动机的稳定燃烧边界管理提供了依据。

引言

面对全球能源经济的转型，寻找合适、无害且供应稳定的移动能源已成为可持续发展的关键。氢（H₂）燃料作为一种公认的零排放能源，被认为是未来能源发展的重要来源[1]。目前，氢能源正在燃料电池和内燃机技术领域同时发展。燃料电池受到高生产成本、高氢纯度以及关键材料和供应链的限制，这阻碍了其大规模应用；而氢内燃机（H₂-ICE）由于其成熟的技术基础和低成本优势，被视为氢作为移动能源的关键技术路径[2,3]。H₂可以在火花点火和压缩点火模式下作为可燃混合物使用，以提高发动机性能。同时，它与现有工业链的良好兼容性使其成为能源转型过程中的一个可行且经济的过渡方案[4]。H₂具有高质量能量密度、高火焰速度和宽燃性范围等优异特性。它不产生碳排放是其最大的优势之一[5]。值得注意的是，H₂的自燃温度为858 K，远高于传统燃料。然而，其极低的点火能量（0.02 mJ）意味着当气缸内出现热点或局部高温区域时，可能会发生回火和提前点火等异常现象，这可能导致发动机爆震甚至损坏[6]。因此，出于安全考虑，必须严格避免任何危险的燃烧行为[7]。

对于H₂-ICE，两种广泛采用的燃料供给策略是直喷（DI）和端口燃料喷射（PFI）[8]。PFI由于其结构简单、成本低以及基于现有发动机的易改造性，为氢能源的快速推广提供了一个实际的切入点[9]。Ichikawa[10]通过在贫燃发动机的进气口安装H₂供给系统，并采用大开节气门操作、被动预燃室点火和点火正时调整等策略，实现了发动机的稳定运行。Buzzi[11]优化了PFI发动机的布局，实验表明，改进活塞设计结合贫燃增压和EGR稀释可以有效提高BTE（燃烧热效率）并减少NOx排放。除了实验研究外，Piano等人[12]开发了一个0.5升单缸PFI发动机模型，以研究层流火焰传播特性，为不同运行条件下的H₂发动机优化方案提供了理论支持。Lu等人[13]报告称，均匀的空气-燃料混合物PFI策略在低负载贫燃运行下保持了相对较高的BTE，同时在NOx减排方面也表现出显著优势。从应用角度来看，PFI在替代燃料发动机中表现出很强的适应性，其在燃烧稳定性和燃油经济性提升方面的优势使其具有广泛的应用前景[14,15]。为了发挥H₂发动机的成本优势并推进其实际应用，需要有效的技术途径来解决现有的性能和安全瓶颈。Mohamed等人[16]发现，较高的压缩比（CR）可以提高指示热效率（P_i），而较低的CR则可以提高扭矩和指示平均有效压力（IMEP）[17]。Laignel等人[18]指出，高CR和超贫燃燃烧可能会引发异常燃烧，但λ > 3时可以实现接近零的NO_x排放而不损失性能。Maiello[19]报告称，当H₂替代CNG在PFI发动机中使用时，扭矩/功率会下降（由于涡轮增压器与贫燃燃烧不匹配），通过涡轮增压器优化可以缓解这一问题。功率、安全和排放之间的固有权衡使得H₂发动机优化对于性能发展至关重要[20]。文献表明，PFI的核心瓶颈主要集中在贫燃极限附近的稳定性和异常燃烧风险，以及由于涡轮增压EGR和点火策略的耦合导致的可操作窗口缩小。

在DI方法中，高压H₂在压缩冲程直接注入气缸，从而可以精确控制混合气形成过程，并从根本上避免H₂和空气在进气口的预混合[21]。关于DI-H₂-ICE的性能，Thawko等人[22]对压缩比为15.5的DI发动机进行了实验。结果表明，H₂燃烧相比甲烷可以实现更高的发动机制动热效率（BTE），即使在最大负载条件下，NOx的形成也几乎完全被抑制。Wei等人[23]对DI H₂-ICE进行了台架测试，结果表明，优化涡轮增压和贫燃策略的边界条件是实现高BTE的关键。此外，通过优化喷射参数，压缩损失进一步降低，BTE达到了44.08%，这凸显了H₂发动机的巨大潜力。Wang等人[24]研究了一台2.0升的涡轮增压发动机，发现发动机转速和过量空气比对燃烧持续时间有显著影响，而负载的影响相对较小。值得指出的是，DI技术的性能潜力取决于特定的边界条件，如较高的CR和适当的过量空气比。DI技术的优势需要通过系统级优化来实现，这也为与PFI技术的比较研究提供了重要参考。尽管其高压喷射系统和氢储存条件的复杂性和成本仍限制了其应用，但DI技术在性能和排放方面显示出显著的优势。

鉴于上述DI和PFI技术的优势和局限性，以及性能、安全和排放之间的内在矛盾，需要进一步研究以确定实现H₂-ICE实际潜力的有效策略。特别是，H₂独特的贫燃特性既带来了机会也带来了挑战：虽然贫燃混合物可以提高效率并减少NOx排放，但过度贫燃操作可能导致失火和未燃烧的氢气增加，而过度富燃混合物则会增加爆震和异常燃烧的风险[25]。大多数现有的DI研究都集中在提高效率或减少排放上，而系统地绘制增压边界条件下贫燃和富燃燃烧极限的实验证据仍然有限。这种边界特性对于各种运行条件下的H₂发动机至关重要，可以为进气管理和燃烧控制策略提供明确的指导[26]。

为了解决H₂发动机运行过程中在贫燃和富燃燃烧极限附近发生的异常燃烧现象，我们在一台2.261升的涡轮增压DI H₂发动机上进行了台架测试。确定了在不同发动机转速和负载条件下允许稳定运行的混合气稀释极限，并在全速度范围内比较分析了不同λ条件下的燃烧和排放特性。同时，采用了相关性分析来定量评估发动机运行参数及其对发动机性能的影响。本研究的目的是阐明λ在边界条件对发动机转速和负载行为、燃烧过程以及H₂发动机排放性能的影响。研究结果为进气策略开发、控制参数校准和H₂发动机性能优化提供了有用的指导。

方法论

本研究在一台2.261升四缸四冲程直列发动机上进行。H₂发动机的气缸直径和行程分别为87.5毫米和94毫米，连杆长度为149.32毫米，压缩比为10。采用了涡轮增压系统进行增压。H₂-ICE实验装置的照片如图1所示。实验研究主要集中在H₂发动机的燃烧和排放特性上。

燃烧特性分析

通过对气缸压力、热释放率（HRR）和压力/曲轴角（dp/dφ）进行比较，分析了氢燃料发动机的燃烧特性，特别关注不同λ边界条件下的燃烧稳定性和相位特性。考虑到燃烧分析仪对气缸压力信号的放大效应，采用了200个连续循环的平均压力迹线结合信号过滤进行处理。

特征参数间相互作用分析

由于发动机系统的多变量耦合和非线性，线性假设经常被违反，因此有必要检查单调关系[44]。用于相关性分析的数据没有异常值，变量遵循正态分布，满足统计分析的先决条件。通常使用皮尔逊线性相关分析进行相关性分析，并额外采用了肯德尔等级相关系数（ρ）

结论

本研究对一台涡轮增压DI-H₂发动机进行了全面的测试。在固定点火正时参数下，系统地研究了H₂发动机在不同运行条件下的燃烧稳定性和排放行为，特别关注了贫燃和富燃操作极限。主要结论总结如下：

1.

在1400转/分钟和50牛顿米的工况下，λ的过度降低导致二次dp/dφ峰值和循环变化，从而

CRediT作者贡献声明

钟伟黄：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证。张云华：形式分析，数据管理，概念化。娄迪明：项目管理，方法论，研究，资金获取。方亮：软件，资源，项目管理。胡志远：监督，软件，资源。谭丕强：软件，资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了上海市科学技术委员会“新能源”关键技术研发计划（25DZ3001702）、山东省重点研发计划（2024CXPT）、南昌智能与新能源汽车研究院的“商用车辆绿色氢燃料发动机关键技术研发”（2024zdxm006）以及江西智能联网车辆与动力总成系统重点实验室（JKLIP-KFKT-202506）的支持。