氢-柴油双燃料发动机燃烧及排放特性研究
直到几年前，我才对柴油机有过些思考。在美国，虽然我知道柴油被用于长途卡车等交通工具，但很少有乘用车使用柴油发动机。但大多数情况下，我只是庆幸自己去加油时不必购买价格昂贵的柴油。
直到我开始在Convergent Science公司工作，我才真正考虑到世界上有很多领域是由柴油发动机驱动的。在其他国家，柴油汽车不仅更常见，而且柴油发动机还能促进贸易、货物配送，并为船舶、卡车和建筑设备提供动力，从而建设新的建筑和基础设施。柴油发动机一直并且将继续在塑造社会方面发挥重要作用。
然而，在Convergent Science工作期间，我也开始更多地思考排放问题。当然，我知道减少车辆排放是非常重要的。但是，我想，这不是电动汽车的作用吗？现在，电动汽车在某些领域的发展和替代传统燃油车是非常有意义的，但在重型汽车领域则未必如此。移动重型车辆需要大量的电能，而今天的电池技术并不能提供很好的解决方案。那么，我们能做些什么来减少重型汽车的排放，同时确保它们仍能发挥其重要功能呢？
在Convergent Science总部的另一边，新南威尔士大学(UNSW)的研究员Annabelle Evans正在考虑这个问题。在她的荣誉论文项目中，她与Evatt Hawkes教授和他的研究小组合作，研究一种替代决方案: 氢气。下面由Annabelle来介绍一下她的研究！
氢是一种很有前途的发动机替代燃料。它具有可再生的潜力，而且它唯一的排放物是水(至少理论上是这样)。此外，与电池相比，氢具有良好的能量密度，使其成为重型运输应用领域一个很有吸引力的选项。
然而，如果你只是把氢气放入一个传统的压燃式发动机，你会遇到麻烦。氢比柴油具有更高的自燃温度，因此单靠压缩很难实现点火。我的研究小组正在研究一种使用少量柴油的发动机，这种发动机通过压缩实现点燃。少量的柴油就像一根火柴，用来点燃氢气。
氢-柴油双燃料发动机比传统柴油发动机更清洁、更高效，但在设计时必须仔细考虑。氢具有比柴油更高的绝热火焰温度，这可能导致更高的NOx排放。另外更高的温度会导致更大的热损失，降低发动机的效率。
为了设计一款优秀的的氢-柴油双燃料发动机，你需要了解驱动NOx排放和热损失的机制。我开始使用CFD模拟技术来研究这些现象。与实验相比，模拟成本更低，运行起来也更容易，而且可以提供比从实验获得的更多数据。通过我的CONVERGE模拟，我可以跟踪发动机内部任意位置的温度、压力和混合气成分。
图1：NOx生成与氢燃料比率[1]的关系
我使用了CONVERGE的详细化学求解器和高精度排放模型来模拟不同比率的氢和柴油[1]的双燃料发动机。我将氢含量从0%逐步调整到90%，并评估了每种条件下的NOx排放和热损失。在我的模拟中，我假设氢与缸内的空气均匀混合，柴油在压缩冲程的顶部被喷射。
我发现氮氧化物的排放量随氢含量的变化而变化，如图1所示。最初NOx随着氢燃料比率增加而增加，当氢的比率增加到50%以上后，NOx的排放量开始下降。
我们认为，NOx排放首先上升的原因是氢气火焰温度高，燃烧温度升高，导致NOx生成更多。然而，当氢的添加达到一定水平时，你会看到燃料和空气在燃烧前更加均匀地混合，从而减少了氮氧化物的排放。
我们的研究小组也在进行氢-柴油双燃料氢发动机的实验，但他们还没有测试50%以上的氢燃料比率。然而，这些模拟结果提供了一个良好的预期，未来的实验可能表明，随着氢气比率的增加，NOx的排放有望大幅减少。
图2：通过活塞壁面的热流密度(上)和靠近壁面的当量比(下)[1]
在热损失方面，我发现有三个主要的影响因素：燃烧相位、靠近气缸壁的当量比、湍动能。传热主要集中在活塞边缘的特定区域，如图2所示。大部分注入的柴油最终会进入这些区域，从而导致高温。此外，活塞边缘上方狭窄的“挤压区”会产生湍流，促进传热。
谢谢你, Annabelle！了解NOx排放和热损失背后的原因对于设计高效、低排放的氢气发动机至关重要。Annabelle的数据提供了氢与柴油的最佳比例，以及减少热损失和氮氧化物排放的必要信息。氢为绿色重型汽车提供了一条可行的道路，Annabelle的研究让我们离更清洁的未来交通更近了一步。
[1] Evans, A., Wang, Y., Wehrfritz, A., Srna, A., Hawkes, E., Liu, X., Kook, S., and Chan, Q.N., “Mechanis ms of NOx Production and Heat Loss in a Dual-Fuel Hydrogen Compression Ignition Engine,” SAE Technical Paper 2021-01-0527, 2021. DOI: 10.4271/2021-01-0527
