从氢喷射脉冲宽度的角度出发，对多点喷射氢发动机的燃烧特性进行深入分析

《Energy》：Insight into combustion characteristic of a multi-point injection hydrogen engine from the view of hydrogen injection pulse width

　　氢内燃机喷射脉宽对燃烧特性的影响研究，通过调整氢气喷射脉宽和压力，探究不同转速下燃烧稳定性、缸内压力及放热规律，发现增大喷射脉宽可提升缸内压力和峰值放热率，并缩短点火延迟，在中等低负荷下有效抑制爆震。

　　
本研究聚焦于氢气喷射脉宽（IPW）对重型六缸多点喷射氢气内燃机（HICE）燃烧特性的影响机制。通过建立稳定的氢气喷射量、进气质量等参数控制体系，在1900、1500和1700 rpm三个典型转速下系统考察了IPW变化对缸内压力、放热规律及燃烧稳定性的作用规律。研究发现，随着发动机转速提升，喷射脉宽对燃烧参数的影响呈现梯度增强特征，特别是在中低负荷工况下表现出显著的优化效果。

在关键参数对比方面，当IPW从56°CA提升至68°CA时，1900 rpm工况下的最大缸内压力增幅达10.16%，同时平均点火延迟减少10.33%。这种压力提升主要源于两个机制：首先，更宽的喷射脉宽增强了氢气与空气的湍流混合，提高了燃烧初期火焰传播速度；其次，持续较长的喷射时段使氢气在进气道内形成稳定的富氢层，为压缩冲程的混合过程创造了更有利条件。值得注意的是，在1700 rpm时，尽管IPW扩展幅度相同，但平均有效压力变异系数（IMEP_CoV）始终维持在1.3%-1.4%的窄幅波动区间，表明该转速下燃烧过程具有更强的时序稳定性。

研究创新性地揭示了喷射脉宽与转速的耦合作用规律。对比分析显示，低转速（1500 rpm）时IPW变化对缸压波动的影响系数为0.78，而高转速（1900 rpm）提升至1.32，表明湍流场强度随转速增加显著增强，这解释了为何IPW的调控效果在高转速工况下更为突出。特别是在混合气形成阶段，宽脉冲喷射使氢气在进气道内形成更完整的浓度梯度分布，这种三维流场结构在高转速下能得到更充分的保持，从而产生更大的燃烧动力效应。

实验数据表明，当IPW超过临界阈值（约60°CA）后，燃烧相位呈现明显的后移特征。以1900 rpm工况为例，峰值放热率提前了4.2°CA，同时放热速率分布曲线由陡峭型向宽平台型转变。这种变化模式与氢气燃料的高扩散系数特性密切相关——更长的喷射时间允许氢气在进气管道内形成稳定的涡旋结构，这种预混状态在压缩冲程初始阶段就能有效提升局部湍动能，从而促进燃烧进程的提前启动。

研究特别关注了燃烧稳定性的量化表征。通过分析IMEP_CoV的动态变化，发现当IPW在55-65°CA区间时，三种转速下的变异系数均维持在2.1%以下，这表明该参数范围既能有效提升燃烧效率，又不会导致燃烧过程的剧烈波动。值得注意的是，在1700 rpm时，尽管IPW扩展幅度达到12°CA，但IMEP_CoV仍保持稳定，这可能与该转速下进气门开启时间与氢气扩散速率的匹配度较高有关。

在工程应用层面，研究建立了喷射脉宽与关键燃烧参数的响应模型。实验数据显示，当IPW增加3°CA时，最大缸压增幅可达5-8%，但超过65°CA后边际效益开始递减。这种非线性关系源于氢气燃烧特有的放热率特性——过长的喷射脉宽会导致氢气在进气道内过度稀释，反而削弱了燃烧初期的湍流强度。研究同时发现，在喷射压力保持恒定的条件下，IPW的优化调节范围可达±10°CA而不影响喷射总量稳定性，这为实际工程应用提供了重要的参数调整空间。

研究还揭示了不同转速下燃烧放热的阶段性特征。在1500 rpm时，宽脉冲喷射使燃烧相位集中度提升23%，表现为更陡峭的峰值放热曲线；而1900 rpm工况下，燃烧持续时间延长了5.8%，使得放热速率分布曲线呈现更平缓的平台区。这种差异源于转速变化对进气气流动力学的影响——低转速下较长的喷射脉宽能形成稳定的涡旋结构，而高转速下需要更紧凑的燃烧过程来适应快速变化的气缸容积。

通过建立多参数关联分析模型，研究发现氢气喷射策略的优化需要综合考虑转速、负荷率、进气温度等多重因素。特别是在中低负荷工况（IPW≤60°CA），延长喷射脉宽能显著提升燃烧稳定性，将 knocking 风险降低至0.3次/百小时以下；而在高负荷工况（IPW≥65°CA），虽然能维持较高的峰值压力，但燃烧波动性指标（IMEP_CoV）会出现5-8%的增幅。这种非线性关系提示在实际工程中应建立工况自适应的IPW调节策略。

研究还创新性地提出了喷射脉宽与燃烧相位的动态匹配理论。通过分析缸内压力曲线与燃烧放热曲线的相位差，发现当IPW扩展至68°CA时，峰值放热位置相对于进气门关闭时刻（GMC）的后移量达到-12.5°CA，这种时序上的优化使得燃烧过程更充分地利用了压缩冲程的能量积累。值得注意的是，在1700 rpm时，该相位差后移量反而比1900 rpm工况更小，这可能与高转速下进气湍流强度增加导致的混合效率提升有关。

研究团队通过建立三维瞬态燃烧模型，揭示了氢气喷射脉宽影响燃烧过程的微观机制。实验数据表明，当IPW从56°CA增加到68°CA时，氢气在进气管道内的驻留时间延长了17%，这导致氢气在气缸内的分布呈现明显的轴对称梯度特征。在压缩冲程初期（-150°CA至-90°CA），这种梯度分布使得局部氢气浓度达到45%-52%的峰值区间，为后续的快速燃烧提供了理想的热力学条件。

研究同时验证了喷射压力与脉宽的协同作用机制。在保持总喷射量恒定的前提下，通过调整喷射压力（2-15 MPa）与脉宽的配合关系，发现当压力控制在8-10 MPa区间时，IPW的调节灵敏度最佳。这种压力脉宽组合既能保证足够的氢气扩散速率，又可维持稳定的燃烧相位。特别是在高转速工况下，适当降低喷射压力（如从12 MPa降至9 MPa）可使IPW扩展量增加8°CA而不影响燃烧稳定性，这为低成本喷射系统的优化提供了理论依据。

研究还建立了燃烧参数与喷射策略的量化关系模型。通过回归分析发现，最大缸内压力与IPW的指数关系（R2=0.92）显著优于线性关系（R2=0.78），这表明氢气喷射过程存在明显的非线性动力学特征。同时，燃烧相位延迟量与IPW的线性相关系数达到0.87，验证了时序控制的关键作用。研究团队通过开发自适应喷射控制算法，可将燃烧波动性降低至行业领先的1.2% CoV水平。

在工程应用层面，研究提出了分级喷射控制策略。通过将总喷射量分为早/晚两个阶段（比例3:7），在保持总IPW不变的情况下，可使峰值放热率提升12%，同时将IMEP_CoV控制在1.5%以内。这种策略特别适用于需要兼顾动力输出与燃烧稳定性的实际工况。研究还建议在现有电控喷射系统中增加0.5-1.2°CA的相位微调功能，可使燃烧效率提升3-5个百分点。

研究最后验证了所提出的燃烧优化策略在真实道路工况下的适用性。通过台架试验与实际路试数据的对比分析，发现优化后的喷射策略可使氢气发动机在50-70%负荷区间内的热效率提升至42.7%，同时将 knocking 发生率控制在0.05次/百公里以下。这种突破性进展为氢燃料电池车与氢内燃机的混合动力系统开发奠定了重要基础。

该研究的重要启示在于：氢气喷射策略的优化需要突破传统燃油喷射的思维定式，应建立包含湍流混合、燃烧相位、热力学平衡等多要素的协同控制模型。研究团队提出的IPW-压力双参数协同调控方案，在保持喷射总量稳定的前提下，通过动态调整喷射参数，实现了燃烧稳定性与动力输出效率的同步提升。这种创新性的控制策略为未来氢燃料发动机的工程化应用提供了可操作的解决方案，对推动氢能汽车产业化和重型机械氢能化转型具有重要实践价值。