在高氨能量比条件下，用于高效氨/柴油双燃料直喷发动机的全球反应性增强策略

《Fuel》：Global reactivity enhancement strategy for high-efficiency ammonia/diesel dual-fuel direct injection engines under high ammonia energy ratios

针对氨/柴油双燃料直接喷射发动机高氨能量比下的点火稳定性差和热效率低的问题，本研究提出全球反应性增强（GRE）策略，通过优化柴油预喷射参数构建活性-热氛围，有效降低点火活化能势垒。实验表明，GRE策略可在12bar IMEP下稳定燃烧至最大氨能量比88%，峰值热效率达46.6%，并通过协同控制实现氨逃逸与NOx排放的显著降低，为下一代零碳氨发动机提供了可行技术框架。

　　

Jinhe Zhang|Gujuntao Xie|Jizhen Zhu|Yong Qian|Xingcai Lu

中国上海交通大学动力机械与工程国家重点实验室，上海200240

摘要

液氨直接喷射是一种有前景的技术途径，可用于高能量密度的重型发动机的脱碳。然而，它在点火稳定性和热效率方面面临重大挑战，尤其是在高氨能量比（AER）的情况下。为了解决这些限制，本研究提出了一种在氨/柴油双燃料直接喷射发动机上的全局反应性增强（GRE）策略。与传统柴油预点火模式不同，GRE策略利用进气冲程中的柴油预喷射来构建一个均匀的“活性-热气氛”。通过预喷射柴油的低温氧化，形成了关键的自由基（如OH和HO₂），显著降低了全局点火激活能障碍。首先，为了建立有利于氨点火的理想活性-热气氛，确定了最佳的柴油预喷射时间和比例。此外，还阐明了进气压力对点火过程和排放的影响。实验结果表明，GRE策略扩大了稳定运行条件，使得在12巴IMEP和最大AER为88%的情况下能够实现稳定燃烧。值得注意的是，在AER为86%时，达到了46.6%的峰值指示热效率（ITE）。关键的是，研究表明氨的燃烧效率受当量比和活性-热气氛窗口的控制。此外，还实现了未燃烧NH₃和NO_x排放的协同控制，从而显著减少了对下游后处理系统的依赖，降低了成本和复杂性。这些发现验证了GRE策略作为推进下一代零碳氨发动机的一种稳健技术框架的有效性。

引言

由于全球对温室气体（GHG）排放的严格规定，内燃机（ICE）行业的脱碳已成为当务之急。虽然氢气被广泛认为是一种清洁能源载体，但其实际应用受到存储密度和运输安全性的挑战[1]，[2]。相比之下，氨（NH₃）作为一种无碳的氢载体，具有明显的优势，包括相对较高的体积能量密度和优异的液化性能（在常压下于-33°C冷凝）[3]，[4]。此外，得益于完善的生产和分配基础设施，氨越来越被认为是脱碳领域的可行且有前景的候选者，特别是在海运和重型运输领域[5]，[6]。

尽管氨具有上述优点，但由于其不利的物理化学性质，其在发动机中的实际应用受到了严重阻碍。与传统碳氢燃料相比，氨的自燃温度显著较高（约930 K），层流火焰速度极低（在标准温度和压力下为7 cm/s），大约是甲烷的五分之一[7]。这些固有缺陷不可避免地导致点火延迟延长和气缸内火焰传播缓慢。因此，高氨能量比（AER）运行的发动机经常出现燃烧稳定性下降的问题，表现为循环间的变化大和失火事件[8]，[9]。此外，由于熄火效应以及燃料中的氮，导致未完全燃烧，从而产生大量的未燃烧氨和NO_x排放，这在热效率和排放控制之间形成了一个艰难的权衡[10]。

为了缓解这些燃烧限制，当前的研究工作主要分为三个技术途径：（I）双燃料火花点火系统，将氨与高反应性促进剂（如氢[11]，[12]，[13]、汽油[14]，[15]，[16]、甲烷[17]，[18]或酒精[19]，[20]）混合，以提高层流火焰速度并降低最低点火能量阈值。（II）第二种解决方案是在重型行业中广泛采用的氨/柴油双燃料（ADDF）配置[21]，[22]，[23]。该策略利用高压柴油预喷射来生成一个强大的高温核心，从而触发预混合氨的自动点火[24]，[25]。（III）第三种新兴技术是湍流喷射点火（TJI）系统，它利用预燃室生成多个分布式热喷射[26]，[27]，[28]。这些喷射提供了空间分布的点火源，与传统的火花塞相比，显著加快了主燃烧室的点火过程[29]，[30]，[31]。

在没有火花塞辅助的压缩点火发动机中，大多数当前策略都集中在增强局部点火能量上。然而，在高AER下，由于氨的自燃温度高，气缸内的混合气变得极其惰性。仅依靠点火触发器（无论是预喷射还是热喷射）通常需要较高的点火能量或足够的预喷射燃料。否则，火焰传播容易受到局部熄火的影响，导致未完全燃烧和过多的未燃烧氨泄漏[32]，[33]。与TJI系统相比，氨/柴油双直接喷射策略提供了更高的能量密度和更低的工程复杂性，使其成为一种有前景的技术途径[34]，[35]。然而，尽管具有喷射灵活性，在高AER下实现高效和稳定的燃烧仍然是一个重大挑战。现有研究表明，通过引入反应性添加剂或优化热力学边界条件，可以实现纯甲醇直接喷射压缩点火[36]，[37]。受此方法的启发，类似的策略有望在发动机中实现纯氨直接喷射压缩点火。

Qian等人[38]探讨了添加氢对氨/柴油双燃料燃烧模式的影响，发现在中高负荷下ITE可以提高至50%以上。由于二甲醚（DME）与液氨具有优异的互溶性，可以有效地将其混合用作燃烧增强剂[39]，[40]，[41]。这两种燃料的高互溶性使得它们能够形成均匀混合物而不会发生相分离，从而可以通过单一燃料系统共同喷射。Gross和Kong[42]利用氨和DME的互溶性通过单一混合系统进行共同喷射。结果表明，较高的AER显著延长了点火延迟并增加了未完全燃烧排放。随后，Ryu等人[43]通过将喷射提前到压缩冲程早期，将过程转变为类似HCCI的模式，实现了高氨含量（按重量计60%）下的稳定燃烧。然而，这种策略仍然存在严重的循环变化和氨泄漏问题，这突显了精确控制气缸内化学反应性和热气氛的迫切需求。除了上述的均匀反应性改进外，还采用了一种通过在压缩冲程后期通过柴油预喷射构建局部高反应性区域的策略来增强反应性[32]，[44]，[45]。

为了克服低反应性燃料的点火困难，通过高反应性燃料的预反应来构建有利的气缸内环境已被证明是一种有效策略。Lu等人[46]指出，HCCI燃烧速率在很大程度上取决于在低温反应（LTR）中从H₂O₂分解出的OH浓度。他们随后证明，随着正庚烷预混合比的增加，LTR和高温反应（HTR）中的热释放率（HRR）的最大值也随之增加，这意味着活性-热气氛燃烧强度增加[47]。Lu等人[48]后来提出了“活性-热气氛燃烧（ATAC）”的概念，并详细研究了使用n-庚烷的两阶段氧化来辅助异辛烷燃烧的机制。结果表明，n-庚烷在压缩冲程中的低温热释放释放了大量热量，并生成了关键的活性自由基池（例如OH、HO₂和H₂O₂）[49]，[50]。这可以显著降低随后喷射的异辛烷的点火阈值，实现稳定和高效的燃烧。Tang等人[51]后来使用光学发动机研究了ATAC策略。结果表明，预混合n-庚烷的热释放最初主要由HCO + O₂ = CO + HO₂反应主导，在较高温度下转变为氢-氧反应。甲醛（CH₂O）可以代表混合物的反应性，其形成受到预混合n-庚烷反应的促进，进而促进了异-辛烷的消耗。Yang等人[52]提出了一种氨热气氛压缩点火（TACI）燃烧模式，以实现高效燃烧和低温室气体排放。它利用n-庚烷预混合燃烧产生的活性热气氛来促进氨的扩散燃烧。结果表明，通过控制喷射时间，这种模式可以实现有利的NO_x和未燃烧氨排放。评估表明，在测试条件下，TACI模式在减少温室气体方面具有巨大潜力，超过70%。他们指出，克服双燃料喷射器开发中的挑战和优化高反应性燃料的使用是提高氨TACI燃烧模式性能和排放的两个关键领域。Zhang等人[22]还发现，预喷射柴油建立的活性气氛可以加速主柴油喷射的点火，尽管初始燃烧期的热释放并不明显。

总之，ATAC概念在优化低反应性燃料燃烧方面展示了巨大潜力。然而，其在双直接喷射发动机中的应用仍需进一步探索。与以往依赖预混合混合物的ATAC研究不同，在双直接喷射发动机中实施这一概念提供了更多的循环间控制灵活性。为了进一步利用这一概念的潜力，本研究提出了一种基于ATAC原理的全局反应性增强（GRE）策略，应用于高压氨/柴油双直接喷射发动机。利用灵活的喷射控制，该策略通过早期喷射同时构建全局活性热气氛和通过接近上止点（TDC）喷射构建强大的点火核心。通过这种方式，有效降低了混合物的全局激活能障碍，为随后的柴油预点火和TDC附近的火焰传播提供了更有利的物理化学边界条件。这种双重能力不仅确保了在高AER下的稳定点火，还允许灵活调节构建ATAC燃料和预点火燃料的比例。因此，这种精确控制的GRE策略预计将为高效和清洁的氨燃烧提供实用途径，并显著扩大发动机的稳定运行范围。

实验装置和燃料特性

实验是在一台改装的四缸四冲程涡轮增压重型发动机上进行的，该发动机配备了电子高压共轨系统。表1列出了发动机的基本规格。为了实现所提出的氨/柴油双燃料（ADDF）燃烧模式，第四个气缸被隔离出来作为专用测试气缸，具有独立的进气、排气和燃料供给子系统，如图1所示。

柴油预喷射时间的影响

图3展示了气缸内压力、HRR以及峰值气缸压力（P_peak）和HRR_max的变化情况，其中SOI_D-pre从早期进气冲程（?330°CA ATDC）延迟到晚期压缩冲程（?40°CA ATDC）。值得注意的是，尽管提出的GRE策略是通过在进气冲程中使用柴油预喷射来增强全局反应性来定义的，但实验范围有意扩展到了晚期压缩冲程。

结论

为了解决内燃机在高AER下难以点火和氨燃烧不完全的问题，本研究提出了GRE策略。通过优化柴油预喷射策略、进气增压调节和多维运行范围扩展，系统地研究了燃烧和排放特性。主要结论如下：

• (1)
  优化的柴油预喷射促进了压缩冲程中柴油喷雾的早期氧化，

CRediT作者贡献声明

Jinhe Zhang：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。Gujuntao Xie：撰写——审阅与编辑、方法论、调查。Jizhen Zhu：撰写——审阅与编辑、形式分析、概念化。Yong Qian：监督、概念化。Xingcai Lu：监督、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“基于柴油循环的氨燃料船舶发动机的燃烧与排放控制技术研究”的资助，由中国国家自然科学基金（编号：52236007）和中国教育部基础与交叉学科突破计划（编号：JYB2025XDXM305）的支持。