主动预燃室氨氢发动机氢喷射策略的数值研究：稀燃条件下燃烧与排放性能优化

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical investigation of hydrogen injection strategies in an active pre-chamber ammonia-hydrogen engine

本文针对大缸径预燃室氨氢发动机，通过三维数值模拟研究了稀燃条件（λ=1.5）下氢喷射策略（喷射次数与燃料分配比）对燃烧特性及排放的影响。研究表明，合理的双喷射策略（如-330/-180°CA ATDC）可显著缩短燃烧持续期（降低15.3°CA）、提升指示热效率（2%），但会小幅增加NOx排放；而过晚或过高比例的二次喷射（如-330/-20°CA ATDC，二次喷氢占比30%）会导致燃烧恶化（燃烧期延长30.3°CA，热效率下降8.5%）及N2O排放上升。研究为船舶发动机实现高效、低排放的氨氢混合燃烧提供了关键理论依据。

　　

Highlight

这项研究聚焦于通过优化氢喷射策略来提升大缸径预燃室发动机在稀燃条件下的性能。研究发现，采用双喷射策略（特别是-330/-180°CA ATDC）能够显著改善燃烧过程，缩短燃烧时间并提高热效率，尽管会带来NO_x排放的小幅上升。然而，若二次喷射过晚或氢分配比例过高，则会引发燃烧恶化及N₂O排放增加的问题。这些发现为零碳船舶发动机的研发提供了重要见解。

Combustion characteristics

图4展示了单次喷射与双次喷射策略下气缸压力、瞬时放热率、燃烧相位及指示热效率的变化。在双喷射策略中，氢质量比固定为9:1，而氨和氢的总质量在所有策略中保持一致。如图4(a)所示，双喷射的气缸压力曲线梯度更陡，峰值压力显著更高，表明燃烧过程更为迅速和剧烈。与之相比，单次喷射策略的压力上升较为平缓。瞬时放热率分析进一步证实，双喷射策略促进了更集中的热量释放，从而提升了热效率。燃烧相位分析显示，双喷射策略将燃烧重心前移，有助于优化发动机的工作循环。总体而言，双喷射策略通过改善混合气形成和点火能量分布，有效增强了燃烧稳定性与效率。

Conclusions

本研究基于大缸径预燃室发动机结构建立了三维数值模型。氨/空气混合气（λ=1.5）通过进气道喷射（PFI）进入主燃室，而氢则直接喷入预燃室。预燃室产生的射流火焰点燃主燃室内的混合气，氢能量分数固定约为9%。研究比较了三种单次喷射策略（-330、-180、-90°CA ATDC）和三种双次喷射策略（-330/-180、-330/-90、-330/-20°CA ATDC）。结果表明，双喷射策略在适当条件下能够显著提升燃烧性能，但需注意喷射时机与氢分配比例的协调，以避免不利的排放效应。这项研究为零碳船舶发动机的氢喷射策略优化提供了重要参考。