摘要
为了实现碳减排的目标，本文在反应活性控制压燃（RCCI）发动机中引入氢气燃料，并利用上止点附近喷入的柴油将其充分引燃。采用氢气/柴油二元燃料简化反应机理，并将其耦合在多维计算流体力学（CFD）模型KIVA-3V中，全面评估氢气/柴油RCCI发动机的性能表现及应用潜力。首先，从热力学第二定律的角度出发，详细对比氢气/柴油RCCI与汽油/柴油RCCI在燃烧特性、能量分布、?分布方面的差异。结果表明，相较于汽油/柴油RCCI，氢气/柴油RCCI得益于燃烧温度高、燃烧持续时间短、氢气更优的氧化反应路径等优点，在降低?损失方面具有更大优势。 其次，为了进一步挖掘氢气/柴油RCCI的潜能，通过将KIVA-3V程序与非支配排序遗传算法耦合，针对氢气/柴油RCCI的七个关键运行参数进行了同步优化。以等效指示燃油消耗率（EISFC）与?损失（Edes）作为优化目标，从而在热力学第一定律和第二定律两方面均实现最大效率，并确定了影响EISFC和Edes的主要因素，相应提出了降低Edes的燃烧控制策略。结果表明，EISFC和Edes之间存在明显的此消彼长关系，意味着二者很难同时最小化。一方面EISFC并非随燃烧温度单调变化；另一方面?损失速率虽然与燃料反应路径和燃烧温度有关，但燃烧温度占据主要作用。虽然降低燃烧?总量也有助于降低Edes，但会以牺牲燃烧效率为代价，并不可取。如果考虑传热和排气?的能量回收，当回收率大于50%时，可以在降低Edes的同时提高总能量利用率，此时优化过程中降低?损失相较提高热效率应该具有更高的优先级。 最后，基于优化典型算例，讨论了预混能量比（Rpre）、柴油第一次喷射占比（Fsoil）、初始压力（Pivc）和废气再循环（EGR）率四个初始参数对目标参数的影响规律：虽然提高Rpre会降低燃烧温度并延长燃烧持续期，但是更高氢气比例带来的反应路径上的优势弥补了二者对Edes的负面影响，所以最终表现出Edes随着Rpre的升高而降低，此外高Rpre可以在维持较低EISFC的同时实现更低的Edes；提高Fsoil时更高的燃烧温度主导了Edes的降低。由于EISFC随着Fsoil变化的幅度相对较低，所以可以通过提高Fsoil在小幅牺牲经济性的同时大幅降低Edes；增加Pivc或EGR率会降低燃烧温度，延长燃烧持续期，导致Edes增加，但是得益于显著降低的传热?，Pivc增加时输出功?占比提高；对于当前算例，EGR率对Edes的影响并不明显，且EISFC随着EGR率升高先降低后升高，所以适中的EGR率可以在实现最低EISFC的同时保持较低的Edes。
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