迈向清洁、高效且稳定的运行：涡轮增压氢发动机的实验评估与多目标优化

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Towards clean, efficient, and stable operation: experimental evaluation and multi-objective optimization of a turbocharged hydrogen engine

氢发动机多目标优化研究，在2500rpm、30kW工况下，通过分次喷射和NH3-SCR后处理系统，实现制动热效率>39%、NOx排放<0.1g/kW·h、IMEP波动系数<1.3%、燃烧噪声强度<1.5MW/m2的综合优化，熵权-TOPSIS方法揭示NOx权重下降至28.4%。

　　氢燃料作为内燃机领域的一种可持续且零碳排放的替代能源，正受到越来越多的关注。随着全球交通运输行业面临减少温室气体排放的压力，特别是在严格的气候政策和向低碳燃料及电气化转型的推动下，氢燃料内燃机（H?ICE）因其高能量密度、广泛的可获得性以及可再生能源生产潜力，被视为实现碳中和交通的重要手段。本文研究了基于制动热效率（BTE）、氮氧化物（NO?）排放、指示平均有效压力的方差系数（CoV????）和燃烧敲击强度（RI）四个关键指标的清洁、高效且稳定的氢燃料内燃机系统。研究通过在典型的增程器工况（2500 rpm，30 kW）下对1.5升可变几何涡轮增压直接喷射氢燃料内燃机进行实验，结合多因素设计对七个控制参数进行调整，并利用统计分析和相关性方法来提取非线性趋势中的关系。

实验结果显示，在过量空气燃料比为1.89且采用分段喷射的情况下，氢燃料内燃机能够达到40.62%的制动热效率峰值，但此时NO?排放量超过了15 g/kW·h。为了有效控制NO?排放，研究中引入了NH?–SCR（氨选择性催化还原）后处理系统，该系统在较宽的工况范围内实现了超过99%的NO?转化效率，使得后处理阶段的NO?排放量降至低于0.1 g/kW·h。这一显著的排放降低有效改变了多目标优化的平衡，通过熵权–TOPSIS分析方法，NO?在评分计算中的影响比例从42.8%下降至28.4%。优化后的配置不仅实现了BTE超过39%，还确保了CoV????低于1.3%，RI低于1.5 MW/m2，并且完全符合NO?排放标准。这些成果不仅量化了关键性能指标，还提供了一种结合缸内控制与后处理技术的实用优化框架，支持氢燃料内燃机在清洁、高效和稳定运行方面的实现。

氢燃料内燃机的应用范围涵盖了公路车辆、固定发电设备以及非道路移动机械（NRMM）。为了满足公路运输所需的高功率密度（超过60 kW/L）和耐久性要求，直接喷射（DI）系统正逐渐取代传统的进气口喷射（PFI）系统。DI技术能够提高充量密度并减少回火风险，这在氢燃料内燃机的高负荷和高增压条件下尤为重要。近年来的研究表明，氢燃料内燃机能够实现较高的单位功率输出，其制动平均有效压力可超过2 MPa，有效热效率可超过42%，甚至接近50%而不引发异常燃烧。然而，氢的高扩散性和低点火能量使其在高负荷和高增压条件下更容易出现异常燃烧，如预点火和爆震，这给内燃机的控制策略带来了挑战。因此，先进的混合形成、点火和空气管理控制策略对于实现氢燃料内燃机的性能潜力至关重要。

在研究氢燃料内燃机的优化过程中，热效率、NO?排放和燃烧稳定性之间的权衡关系是主要关注点。然而，这些性能指标往往受到相互制约，使得同时优化变得困难。例如，Koerfer等人发现，当过量空气燃料比（λ）从1.6增加到2.4时，制动热效率从40%提升至44%，同时NO?排放减少了超过80%，但代价是峰值扭矩下降了15-20%。Roiser等人则指出，改善空气增压响应会导致NO?排放从约0.1 g/kW·h增加到10 g/kW·h。Emran等人报告称，通过应用两阶段增压策略，可以在保持较高热效率的同时获得3.5个百分点的BTE提升，但此时NO?排放超过了30%。此外，燃烧稳定性也是确保氢燃料内燃机可靠运行的重要指标。CoV????被广泛用于评估燃烧的一致性，研究表明在大多数运行范围内，CoV????可以维持在3%以下，从而保证稳定的发动机性能。然而，当喷油时机显著延迟以提高热效率，或在超稀薄燃烧条件下运行时，CoV????可能上升至5%或更高，特别是在λ超过3.5时更为明显。Beduneau等人指出，在无负载条件下，氢燃料内燃机的燃烧噪声可达85 dB，与传统柴油机相当。氢燃料的高层流火焰速度，尤其是在λ为1.8时，会导致压力上升率加快，从而在爆震发生时进一步加剧燃烧噪声。RI作为衡量燃烧过程中压力波动严重程度的指标，被用来评估燃烧引起的噪声和潜在的爆震风险。Maurya等人研究了氢燃料HCCI（均质充量压燃）发动机中RI的变化，发现随着CA50（燃烧开始角）提前、进气温度升高以及等效比增加，RI也会相应上升，其操作极限由RI超过5 MW/m2所定义。

为了提高制动热效率，氢燃料内燃机在作为增程器使用时，通常被限制在较低的转速（如2500 rpm），以最小化机械损失并实现更高的效率。对于一辆 curb weight 为1500 kg 的增程式电动车，在平坦高速公路上以120 km/h行驶时，考虑到空气动力学阻力和滚动阻力，文献表明该类增程器发动机输出功率为30 kW即可满足需求。对于1.5升发动机，这相当于约9 bar的制动平均有效压力（BMEP）。Mohamed等人研究了氢燃料内燃机在10 bar BMEP下的性能，并报告称在λ为4.2时，最大指示热效率可达43%，但此时CoV????超过了3%。将λ降低至1.5虽然显著降低了CoV????，但导致NO?排放超过3000 ppm。同样，Li等人观察到，当BMEP从2 bar增加到8 bar时，BTE从26%上升至41%，而NO?排放则从30 g/kW·h激增至45 g/kW·h。这些结果清楚地表明，在中等负荷运行条件下，热效率与NO?排放之间的权衡关系尤为严重。

为了缓解这些权衡关系，研究人员已经探索了多种策略，如稀薄燃烧、延迟点火和分段喷射等。在一项针对2.0升DI H?ICE的测试中，发现当λ为1.91且转速为2000 rpm时，可以实现高达42.6%的BTE，但NO?排放问题仍未得到解决。Liang等人报告称，在部分负荷条件下，实施分段喷射可使BTE提高高达1.2%，而优化进气和排气阀的开启时间则可使NO?排放降低高达48.9%。此外，分段喷射还能降低循环变异性，当分段喷射比例（SIMF）提高至40%时，CoV????有所下降，从而在稀薄燃烧条件下提升燃烧稳定性。然而，氢燃料燃烧的固有高温特性仍然会导致不可避免的NO?生成，尤其是在高转速和高负荷条件下，当缸内策略如混合稀释或分段喷射变得不那么有效时，这一问题尤为突出。

由于氢燃料排气中不含碳基物质，因此采用如选择性催化还原（SCR）或NO?存储还原（NSR）等后处理系统可以实现超过90%的NO?转化效率，同时对发动机性能影响较小。此外，通过混合化策略，可以有效缓解高负荷和高转速下燃烧稳定性下降和排放恶化的现象。将氢燃料内燃机集成到混合动力系统中，可以优化负载和转速，避免NO?排放临界运行区域，从而在不牺牲性能的前提下，同时改善排放和系统效率。

本研究的创新之处在于，通过大量的实验数据与熵权–TOPSIS方法相结合，对氢燃料内燃机的多目标优化关系进行了系统而全面的量化分析。该研究基于系统级优化理念，提出了一种最优控制策略，以缓解氢燃料内燃机在高热效率、低NO?排放、低循环变异性以及低爆震倾向之间的权衡关系。研究结果表明，在2500 rpm和9 bar BMEP（约30 kW）的典型增程器工况下，氢燃料内燃机能够在保证燃烧稳定性的同时，实现较高的热效率和较低的NO?排放。这一成果不仅为氢燃料内燃机的实际应用提供了理论依据，也为未来氢燃料动力系统的开发和优化提供了新的思路。

本研究的实验平台基于长安1.5升四冲程涡轮增压直接喷射氢燃料内燃机。该发动机使用99.99%高纯度氢作为燃料，其关键规格如表1所示。实验中采用Bosch HDEV6喷油器，该喷油器安装在气缸进气侧，并由电子控制单元（ECU）进行控制。喷油器在14 MPa压力下能够提供4.75 mg/ms的流量，支持分段喷射并具有快速动作能力。原有的高压燃油泵和油轨被替换为专用设备，以确保氢燃料的稳定供应和精确控制。此外，实验还涵盖了对控制参数的多因素交叉实验，以评估其对各项性能指标的影响。这些控制参数包括喷油时机、喷油压力、过量空气燃料比、喷油策略、进气温度、排气温度以及冷却水温度等。通过调整这些参数，研究人员能够更全面地理解其对BTE、NO?排放、CoV????和RI的影响，并据此优化控制策略。

在评估发动机性能指标时，实验在2500 rpm的转速下进行，以确保高效发电和高热效率。节气门完全开启，以减少泵气损失。中冷器出口温度被控制在25°C，实验结果表明该温度控制精度在±0.5°C以内。其他关键参数设置如下：氢燃料喷射压力为12 MPa，冷却水温度为90°C，环境温度为30°C。实验过程中，氢燃料喷射策略被精心设计，以平衡热效率和排放控制。研究人员通过改变喷油时机和喷油压力，探索了分段喷射对燃烧过程的影响，并结合统计分析和相关性方法，提取了非线性趋势中的关键关系。

研究结果表明，分段喷射策略在提升BTE的同时，还能有效降低NO?排放和CoV????。然而，氢燃料燃烧的高温特性仍然可能导致NO?的不可控生成，特别是在高负荷和高转速条件下。为了应对这一挑战，研究引入了NH?–SCR后处理系统，该系统在较宽的工况范围内实现了超过99%的NO?转化效率，使得后处理阶段的NO?排放量降至低于0.1 g/kW·h。这一显著的排放降低不仅改善了环境性能，还为氢燃料内燃机的多目标优化提供了新的可能性。

通过熵权–TOPSIS方法，研究人员对控制参数进行了优化和评估，以确定最佳的控制策略。该方法能够有效处理多目标优化问题，通过量化各指标的权重和相对重要性，找到最优的控制参数组合。实验结果显示，通过合理调整控制参数，可以在不牺牲发动机性能的前提下，实现较高的BTE、较低的NO?排放以及稳定的燃烧过程。这一成果不仅为氢燃料内燃机的优化提供了理论支持，也为实际应用中的控制策略设计提供了参考。

本研究的结论表明，氢燃料内燃机在中等负荷运行条件下，可以通过优化控制参数实现较高的热效率和较低的NO?排放。分段喷射策略在提升BTE的同时，有效降低了NO?排放和CoV????，使得燃烧过程更加稳定。NH?–SCR后处理系统的引入，进一步确保了NO?排放的合规性，为氢燃料内燃机的清洁运行提供了保障。通过熵权–TOPSIS方法，研究人员能够系统地评估各控制参数对性能指标的影响，并据此提出最优的控制策略。这一研究不仅为氢燃料内燃机的优化提供了新的方法，也为未来氢燃料动力系统的开发和应用奠定了基础。

综上所述，氢燃料内燃机作为一种清洁、高效且稳定的动力来源，具有广阔的应用前景。然而，其在实际应用中仍面临热效率与NO?排放之间的权衡问题。通过优化控制参数和引入先进的后处理系统，可以有效缓解这一矛盾，实现氢燃料内燃机的性能最大化和排放最小化。本研究的结果表明，基于系统级优化理念的控制策略能够为氢燃料内燃机的多目标优化提供科学依据，推动其在交通领域的广泛应用。未来的研究可以进一步探索氢燃料内燃机在不同工况下的性能表现，并结合更先进的控制技术和材料科学，提升其整体性能和可靠性。