变喷射时序分层氨-氢预燃室发动机的光学研究与燃烧分析

《Fuel》：Optical investigation and combustion analysis of stratified ammonia-hydrogen pre-chamber engine with variable injection timing

本刊推荐：为应对航运业脱碳挑战，研究人员开展了氨燃料发动机燃烧优化研究。通过光学手段分析变喷射时序(165-40 CAD BTDC)下分层氨(DINH3)-氢预燃室(PCH2)发动机的燃烧特性，发现延迟喷射(40 CAD BTDC)使峰值缸压从50 bar提升至80 bar，显著改善燃烧稳定性。该研究为氨作为零碳船舶燃料的实用化提供了关键技术支撑。

　　

随着国际海事组织(IMO)提出2030年温室气体减排20%、2040年减排70%、205年实现净零排放的宏伟目标，航运业面临着前所未有的脱碳压力。传统内燃机(ICE)作为船舶主要动力源，其碳排放占全球能源相关CO₂排放的13.7%，开发兼容的零碳燃料成为当务之急。氨(NH₃)因其高氢含量、易储存运输特性，被视为有前景的船舶零碳燃料，但其高自燃温度、慢层流燃烧速度等特性导致单独燃烧困难。

为攻克氨燃料燃烧难题，挪威科技大学Ducduy Nguyen团队在《Fuel》发表研究，创新性地采用氢预燃室射流点火技术，通过光学诊断手段深入探究了直接喷射氨的燃烧特性。研究聚焦于喷射时序这一关键参数如何影响分层混合气的形成与燃烧过程，为氨燃料发动机的实用化提供了重要理论依据和技术支撑。

研究人员采用光学可及压缩燃烧室(OACIC)这一先进实验平台，通过高速摄影结合缸压分析，系统比较了单孔与多孔两种预燃室喷嘴在氨喷射时序从165°CA至40°CA BTDC变化下的燃烧特性。实验保持火花塞点火时刻为14°CA BTDC不变，通过调节氨喷射持续时间维持主室全局当量比0.6，预燃室氢能量份额固定为10%。采用多室热释放率模型精确计算了预燃室与主室之间的能量交换，并通过火焰概率分布指数(PDI)量化分析了燃烧过程的循环波动性。

3.1. 缸内压力分析

结果表明，延迟喷射时机显著提升了燃烧效率。当氨喷射时机从165°CA BTDC推迟至40°CA BTDC时，峰值缸压从50 bar大幅提升至80 bar。多孔喷嘴因产生多个分布式射流，促进了更均匀的燃料-空气混合，表现出比单孔喷嘴更稳定的压力上升曲线。压力差分析显示，延迟喷射有效减少了氨向预燃室的渗透，确保了预燃室内氢-空气混合气的充分燃烧。

3.2. 燃烧分析

热释放率(HRR)曲线揭示，延迟喷射使燃烧持续时间从18°CA缩短至8°CA，点火延迟期从10°CA减少至5°CA。多孔喷嘴配置下，主室热释放率更高且燃烧更快完成。质量流动分析表明，预燃室燃烧分为两个阶段：初始氢燃烧产生正向流动，主室燃烧建立后形成反向流动，将高温气体送回预燃室引发二次燃烧。

3.3. 高速影像分析

自然发光(NL)图像直观展示了不同喷射时机下的火焰发展过程。单孔喷嘴产生集中火焰射流，沿喷嘴轴线方向深入主室；而多孔喷嘴产生对称分布的多个火焰射流，促进更均匀的火焰传播。延迟喷射条件下，火焰在火花塞点火后5°CA即清晰可见，且发光强度显著高于早喷工况。火焰传播速度分析显示，40°CA BTDC喷射时，多孔喷嘴的最大火焰传播速度达到24 m/s，比单孔喷嘴高15%。

3.4. 扩展喷射时机研究

极端延迟喷射(30°CA BTDC)实验发现，单孔喷嘴因能量集中仍能维持稳定燃烧，而多孔喷嘴则因火焰分布过于分散导致燃烧不稳定。这表明对于高度分层混合气，集中点火源比分布式点火源更具优势。

该研究通过系统的光学诊断和燃烧分析，明确了氨喷射时序对预燃室氢射流点火发动机性能的关键影响。延迟喷射创造的燃料分层效应有效防止了氨向预燃室的过度渗透，保障了氢引燃效果的充分发挥。多孔喷嘴在适度延迟喷射条件下展现出的多点火源优势，与单孔喷嘴在极端分层条件下的稳定性，为不同工况下的喷嘴选型提供了理论指导。这项研究不仅为解决氨燃料燃烧难题提供了有效技术路径，也为零碳船舶动力系统的开发奠定了重要基础，对实现航运业脱碳目标具有积极推动作用。