《Journal of the Energy Institute》：Effect of injection timing and swirl ratio on diesel/ammonia dual-fuel engine with lateral swirl combustion chamber
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LSCS系统在柴油/氨双燃料RCCI燃烧模式中的应用研究表明，优化喷射开始时刻和涡流比可提升热效率1.34%，同时降低温室气体和未燃氨排放。
严苏|毛春朗|李小平|秦兴年|沈波|张玉林|赵子恒|熊振业
吉林大学汽车工程学院，长春，130025，中华人民共和国
摘要
为了改善压缩点火发动机中的燃油-空气混合效果，提出了侧向涡流燃烧系统（LSCS），并在柴油发动机中展示了优异的性能。然而，目前尚未有研究将LSCS应用于日益流行的柴油/氨双燃料发动机。本研究探讨了LSCS在柴油/氨反应控制压缩点火（RCCI）燃烧中的作用及其提高零碳燃料利用的潜力。通过引入具有边缘结构的LSCS燃烧室，并基于氮追踪方法开发三维计算模型，我们研究了喷射开始时刻（SOI）和涡流比（SR）对缸内燃烧和排放特性的影响。结果表明，LSCS的边缘结构增强了壁面射流并提高了空气利用率。在所有SOI条件下，LSCS的指示平均热效率（ITE）均高于非凸燃烧系统（NCCS），最高提升了1.9%；温室气体（GHG）排放略有减少，未燃烧氨的排放量减少了约13%。当SR=1.25时，壁面射流与涡流运动的相互作用产生了最佳的局部当量比分布，使得ITE相比原始LSCS情况提高了1.34%，同时实现了最低的GHG和氨排放。因此，LSCS在提高柴油/氨RCCI发动机性能的同时，具有减少GHG和未燃烧氨排放的潜力。
引言
根据IPCC报告[1]，全球平均温度比工业化前水平上升了超过1.1°C，这反映了由人类活动引起的温室气体排放所驱动的气候变化显著且加速的趋势。如果当前的排放水平持续下去，可能会导致极端天气事件[2]并引发不可逆的生态灾难。为应对气候危机和过量的温室气体排放，许多国家承诺在未来实现碳中和（例如欧盟在2050年，中国在2060年）[3]，[4]。交通运输部门在全球碳排放中起着重要作用，是全球第二大排放源，约占人为CO2总排放量的23%，这主要是由于道路车辆、航空、航运和铁路系统对化石燃料的广泛依赖。这一重要份额凸显了迫切需要采取脱碳策略——如电气化、提高燃油效率以及采用可持续替代燃料——以减轻该行业对环境的影响并支持全球气候目标。同时，能源安全危机凸显了传统能源系统的脆弱性。传统能源来源的分布极不均衡，导致中国和欧盟等地区的能源进口依赖度超过60%[5]。因此，向与传统化石燃料来源脱钩的清洁能源系统的根本转型对于实现深度脱碳至关重要[6]，[7]。
氨（NH3）作为一种零碳能源，近年来受到了越来越多的关注[8]。由于氨完全燃烧后仅产生N2和H2O，使其成为化石燃料的理想替代品，符合全球脱碳的需求[9]，[10]。此外，氨易于储存、运输和生产，且拥有适合大规模应用的成熟产业链[11]，[12]。Jin等人[13]研究了氨能量比（AER）和燃料喷射策略对柴油/氨发动机燃烧特性和排放特性的影响。他们的研究表明，AER的增加与发动机热效率的持续下降相关，同时未燃烧氨的排放量大幅增加。通过优化双喷射策略，在AER为50%时，温室气体排放量可减少14.2%。Nie等人[14]研究了柴油/氨RCCI发动机中的氮基排放。结果表明，随着负荷的增加，NO排放量增加而NH3排放量减少，N2O排放量先增加后减少。尽管关于氨的研究不断增多，但其固有的缺点仍然难以完全克服。氨的燃烧面临火焰速度低[15]和反应性低[16]的挑战，导致氨燃料发动机的热效率通常低于其他低反应性燃料[17]。氨火焰的传播特性与典型的碳氢化合物火焰明显不同[18]。除了其固有的低燃烧速度和高熄火倾向[19]，[20]外，由于其独特的氮化学成分和分子结构，氨火焰在贫燃条件下具有负的Markstein长度，表明存在热扩散不稳定性[15]，[21]。同时，高比例的氨使用会导致显著的未燃烧氨排放[9]。Tian等人的研究[22]通过可视化氨/柴油双燃料混合物的喷雾燃烧过程发现，双喷射方法可将NH3排放量降低多达83.5%，但仍需要后处理装置来减少残留氨。氨泄漏可能导致释放的反应性氮超过陆地和海洋的自然固氮速率，从而破坏地球的氮循环。这种泄漏可能导致空气污染和水体富营养化。随后的氮转化会产生N2O，这不仅抵消了使用氨燃料的CO2减排效益，还会危害生态平衡和人类健康[23]，[24]。
除了传统的控制参数外，燃烧室形状也是影响发动机性能的关键因素。根据喷雾与燃烧室壁的相互作用方式，燃烧系统可以分为封闭燃烧系统和壁流引导燃烧系统。前者包括传统柴油发动机的Omega形燃烧系统、半球形开放燃烧室和环形再入燃烧室[25]，其特点是燃烧室壁可以包围喷雾火焰。后者，即壁流引导燃烧系统，通过构建独特的壁结构来调节燃料喷雾的流动和湍流强度，主要包括分裂涡流和双涡流燃烧系统。由于喷射压力较高，柴油直接喷射到缸内会导致壁面湿润和较高的烟尘排放，这种现象在小型发动机中更为严重[26]。虽然壁流引导燃烧系统可以通过壁面引导来改善燃油-空气混合，从而提高燃烧性能，但喷雾羽流两侧的空气往往无法有效利用。为了解决这个问题，研究人员提出了侧向涡流燃烧系统（LSCS）。该燃烧室在活塞碗边缘引入了垂直凸起的分流结构，其数量是喷射喷嘴孔数的两倍。当喷雾羽流撞击这些分流器时，燃料会被引导到两侧，从而提高空气利用率。Li等人[27]研究了LSCS在柴油发动机中的应用及其能量分布。研究发现，LSCS的独特结构减弱了缸头附近的燃料/空气浓度，从而减少了通过缸头的热损失并提高了热效率。Chen等人[28]研究了进气涡流对装有LSCS的柴油发动机缸内流动和燃烧的影响。结果表明，进气涡流削弱了LSCS的壁流引导作用，增强了流动干扰，从而导致空气利用率降低。因此，在没有进气涡流的情况下，LSCS实现了最佳的燃烧性能。Li等人[29]研究了LSCS几何形状对柴油发动机燃烧和排放的影响。通过几何优化，LSCS的性能得到了显著提升，燃料消耗和烟尘排放量均有所减少。此外，该研究提出了一种几何匹配方法，以实现LSCS在不同燃料供应系统中的有效应用。
从上述文献可以看出，大量研究已经证明了LSCS在柴油发动机中的应用优势[30]，[31]，[32]。然而，关于LSCS在柴油/氨RCCI发动机中的研究仍存在显著空白，其对柴油/氨RCCI燃烧过程和污染物形成机制的影响仍不清楚。为此，本研究使用CONVERGE软件和氮追踪方法开发了一个柴油/氨的三维计算模型，探讨了LSCS与非凸燃烧系统（NCCS）的流动和燃烧机制，并进一步分析了不同喷射开始时刻（SOI）和涡流比（SR）下LSCS的燃烧和排放性能。本研究为LSCS在柴油/氨RCCI模式中的应用提供了基础数据，并为其进一步实施提供了参考。
章节摘录
燃烧室几何形状
图1显示了LSCS的活塞碗结构。LSCS的凸边缘平行于气缸轴线，当喷雾射流撞击这些凸边缘时，流动会沿凸边缘两侧分裂。这些凸边缘的数量是喷射喷嘴孔数的两倍[33]。这使得喷雾在撞击凸边缘时产生壁引导的侧向涡流，从而提高了空气利用率。图2提供了LSCS和NCCS的示意图。为了隔离凸边缘的影响，
喷射开始时刻（SOI）对燃烧特性的影响
柴油的SOI影响燃料的空间分布和雾化过程[40]，[41]。正确的喷射时机对于优化发动机燃烧和排放性能至关重要。在本节中，SOI从-2.5°CA增加到-17.5°CA，间隔为5°CA。点火延迟时间（IDT）定义为从喷射开始（SOI）到总热量释放10%时的曲轴角度间隔（CA10）。同样，CA50表示总热量释放50%时的曲轴角度
结论
本研究首次在柴油/氨RCCI燃烧模式中引入了具有凸结构的LSCS燃烧室。开发了一个基于氮元素追踪方法的双燃料三维计算模型，研究了SOI和SR对燃烧过程、GHG排放以及LSCS燃烧室多源氮基污染物排放的影响。分析重点关注了流动和燃烧特性的变化以及污染物
CRediT作者贡献声明
李小平：写作 – 审稿与编辑。秦兴年：资源准备。沈波：写作 – 审稿与编辑。熊振业：写作 – 审稿与编辑。张玉林：资源准备、数据管理。赵子恒：写作 – 审稿与编辑。严苏：资源准备、项目管理、方法论。毛春朗：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、方法论、实验设计
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了吉林省科学技术厅科技人才项目（20250601072RC）和中国国家自然科学基金（52472407）的支持。
