氢燃料与传统燃料在PFI SI发动机中的性能与排放对比研究：基于CONVERGE 3.0的三维数值模拟

为解决传统化石燃料导致的效率低下和碳排放问题，研究人员采用CONVERGE 3.0软件对氢燃料(H2)与汽油、甲烷等常规燃料在火花点火(SI)发动机中的性能及排放特性进行三维数值模拟。研究发现，氢燃料在当量比(ER)0.4、转速3000 rpm时热效率达40.94%，且实现零CO/HC排放，为清洁能源发动机设计提供重要依据。

　　

随着全球能源需求激增和气候变化加剧，传统内燃机面临两大困境：化石燃料枯竭和温室气体排放。数据显示，2022年全球化石燃料燃烧产生的CO₂达368亿吨，其中交通运输领域贡献显著。尽管氢能因其120 MJ/kg的超高能量密度和零碳特性被视为理想替代能源，但其在火花点火(SI)发动机中的应用仍存在混合气形成不均、异常燃烧和NO_x排放高等技术瓶颈。来自Hajee Mohammad Danesh科学技术大学的Rashedul Islam团队在《Next Materials》发表研究，通过先进数值模拟揭示了氢燃料的优化使用策略。

研究采用CONVERGE 3.0软件构建三维计算流体力学(CFD)模型，选用SI8 Engine Premix SAGE燃烧模型，对比分析氢燃料(ER 0.4/0.6/0.9)与汽油(C₈H₁₈)、甲烷(CH₄)、M10混合燃料在2000-3000 rpm工况下的性能差异。关键技术包括：自适应网格细化(AMR)技术确保计算精度，Redlich-Kwong Soave状态方程处理氢气的非理想气体特性，SAGE详细化学反应动力学模型耦合Burke氢氧反应机理，以及RNG k-ε湍流模型模拟缸内复杂流动。

在性能评估方面，研究获得多项关键发现：

1. 1.

   气缸压力分析：氢燃料ER 0.4在3000 rpm时峰值压力达3.66 MPa，虽低于甲烷的4.35 MPa，但压力曲线更平缓，机械应力降低40%。

2. 2.

   热效率突破：氢燃料ER 0.4在3000 rpm时热效率达40.94%，较汽油(29.21%)和甲烷(34.17%)显著提升，这得益于氢的高火焰传播速度(265 cm/s)和稀薄燃烧特性。

3. 3.

   排放特性：氢燃料实现零CO和HC排放，CO₂排放量仅为传统燃料的1/10；但NO_x排放仍需关注，ER 0.4时最低为0.71×10^-6 kg。

4. 4.

   比热比优化：氢燃料ER 0.4在2000 rpm时比热比(γ)达1.354，反映更高效的能量转换。

讨论部分指出，氢燃料ER 0.4配合3000 rpm转速展现出最佳综合性能：既通过稀薄燃烧降低缸内温度抑制NO_x生成，又利用氢的高扩散性实现快速燃烧。该研究为氢能发动机设计提供重要参数依据，特别是验证了端口燃油喷射(PFI)系统在氢燃料应用中的可行性。未来需结合废气再循环(EGR)和直接喷射技术进一步优化NO_x控制，推动氢能内燃机商业化进程。