与氢气点燃发动机相比，氢气-柴油双燃料发动机具有碳排放低和效率高的优势。目前氢气-柴油双燃料发动机主要以柴油为高活性引燃燃料，氢气的火焰传播速度较快，柴油的挥发性较差，导致NOx排放较高，同时柴油燃烧产生CO2。聚甲氧基二甲醚（PODEn）为碳中性燃料，可以实现发动机零碳排放，而且PODEn的活性和挥发性明显优于柴油，以PODEn作为氢气的引燃燃料可以充分发挥燃料反应活性调控优势，提高氢气发动机性能。课题组面向氢气-PODEn双燃料发动机，借助高速摄影和相位多普勒等先进光学诊断技术，研究掺氢氛围下PODEn喷雾发展特性，并对发动机性能开展系统试验研究，为氢气双燃料发动机仿真模型构建和燃烧调控策略设计提供参考。
氮气掺氢惰性环境下PODEn喷雾发展特性如图1所示，图中x(H2)为氢气的摩尔分数。环境压力为1.5 MPa，不同x(H2)、不同粒径液滴概率密度如图2所示。由图1、2可知：1）掺氢比例增加，喷雾头部涡流区明显变弱，同时出现明显稀薄粒子区；2）相同环境压力下，掺氢比例增加，环境密度降低，导致瑞利-泰勒不稳定性增强，促进粒子破碎，粒径减小。
图1 氮气掺氢惰性环境下PODEn喷雾发展特性
图2 不同x(H2)、不同粒径液滴概率密度
课题组详细开展了氢气双燃料发动机性能试验研究，结果表明：氢气-柴油双燃料发动机的最高热效率为48.0%，NOx比排放为3.69 g/(kW·h)；氢气-PODEn双燃料发动机的最高热效率为52.4%，NOx比排放为0.11 g/(kW·h)，热效率提高9.2%、NOx比排放降低97%。不同混合燃料发动机的缸压频域信息如图3所示。由图3可知：与氢气-柴油燃料发动机相比，氢气-PODEn燃料组合可以充分发挥燃料反应活性调控优势，有效缓解粗暴燃烧程度。此外，通过耦合分析缸压波动和放热过程，明确了氢气预混引燃发动机中局部放热过快和末端气体自燃两种爆震机理及诱发边界条件，提出了基于放热型线识别不同爆震机制的方法，为爆震实时在线调控奠定基础。
图3 不同混合燃料发动机缸压频域信息
项目负责人简介：段会全（1992—），男，工学博士，助理研究员，山东大学“青年学者未来计划”人才，硕士生导师，主要从事先进燃烧理论与爆震/爆轰机理、零碳燃料喷雾燃烧光学诊断、动力总成及整车先进控制算法开发等研究。主持/参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省重点研发计划等项目6项，以第一/通信作者发表高水平论文10余篇。
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