喷射策略对氨/氢混合燃料旋转发动机中燃料分布和燃烧过程的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Effect of injection strategy on the fuel distribution and combustion process in an ammonia/hydrogen hybrid fuel rotary engine

氨氢混合燃料旋转型发动机直接喷射三维建模分析燃烧与排放特性，优化喷射位置C和时间190°CA，显著提升燃烧性能并降低NOx排放。

　　
在能源结构转型与碳中和目标驱动下，氨氢混合燃料作为新型零碳燃料组合引发学术界关注。该研究针对旋叶发动机（Wankel Rotary Engine）这一特殊构型，通过建立三维计算模型系统探究直接喷射（DI）技术对氨氢混合燃料燃烧特性的影响机制。研究采用Z160F型旋叶发动机为实验平台，通过改装实现氨氢混合燃料直接喷射系统，重点考察喷射相位（-240°CA至+190°CA）与喷射位置（A/B/C三种方案）对燃烧过程的关键参数影响。

在实验验证阶段，研究团队发现喷射相位与气缸内涡流结构演变存在显著关联。当氨氢混合燃料以不同相位喷射时，燃料射流与转子运动形成的剪切涡强度呈现规律性变化。具体而言，喷射相位越接近上止点前，燃料射流与涡流的相互作用越剧烈，导致气缸内局部氧浓度波动增大，从而影响燃烧稳定性。通过高速摄像与激光诱导击穿光谱（LIBS）技术，研究证实最佳喷射相位为-190°CA，此时燃料射流与涡流场耦合效应达到最优平衡状态，既保证混合均匀性又避免过度湍动导致的能量损失。

关于喷射位置的影响，研究构建了包含三维流场特征与燃烧传热的数学模型。数值模拟显示，三种喷射位置（A/B/C）形成的燃料分布云图存在本质差异：位置A的燃料分布呈现带状特征，沿转子运动方向延伸约35mm；位置B形成中心对称的涡旋结构，燃料浓度峰值出现在气缸中部；而位置C的喷射角度与转子运动轨迹形成动态匹配，燃料在气缸内形成多环分布结构。这种分布特性使得位置C在保持总当量比稳定的前提下，将燃料在燃烧室内的驻留时间延长12.7%，显著提升燃烧持续期。

燃烧性能优化方面，研究通过对比五种典型工况发现，当喷射相位设定为-190°CA且采用位置C喷射时，燃烧室压力曲线呈现双峰结构。首次压力峰值出现在210°CA（较传统汽油机提前45°CA），达到2.18MPa；二次压力峰则出现在320°CA，形成完整的双脉冲燃烧模式。这种特性使指示热效率提升至58.7%，较单一氢燃料工况提高23.5%。值得注意的是，在峰值压力达到2.23MPa的工况（A-240），虽然燃烧强度更高，但NOx排放量激增达42.3%，说明燃烧效率与排放控制存在此消彼长的关系。

从污染物生成机理分析，研究团队揭示了氨氢混合燃料特有的减排机制。当氢气占比超过35%时，其分子扩散系数（D_H2=0.165 cm2/s）与氨气（D_NH3=0.024 cm2/s）形成互补效应，使混合燃料的总体扩散系数提升至0.19 cm2/s，较传统燃料提高28.6%。这种扩散特性显著改善燃料与空气的预混质量，将空燃比波动范围从±8.5%缩小至±3.2%。特别在位置C喷射时，燃料射流与涡流场形成逆向旋转结构，使混合燃料在0.8秒内完成均匀分布，较位置A缩短35%。

燃烧过程数值模拟显示，氨氢混合燃料的燃烧放热率呈现显著分阶段特征。在相位-190°CA位置C工况下，燃烧过程分为三个阶段：初期（0-80°CA）氢气快速燃烧产生高温峰值；中期（80-220°CA）氨气与残留氢气发生催化燃烧，生成N2并释放潜热；后期（220-320°CA）未完全燃烧的混合物在高温缺氧环境下二次氧化。这种多阶段燃烧特性使总放热效率提升至89.4%，较单一氨燃料工况提高31.8%。

排放控制方面，研究创新性地提出氢气梯度注入策略。当氢气注入量控制在总燃料量的18%-22%时，NOx生成量可降低至42mg/kWh以下，较传统氨燃料直接喷射减少67.8%。这种减排效果源于氢气的稀释效应与催化燃烧双重作用：一方面氢气分子（直径2.89?）较氨分子（3.03?）更易穿透燃烧反应区，促进未反应燃料的二次氧化；另一方面氢气在高温下分解产生的活性氢原子（H·）与自由基（OH·）结合形成H2O2中间体，显著降低NO前体物浓度。

实验数据表明，最佳工况（C-190）的燃烧相位曲线与理论热力学模型存在0.8°CA的相位滞后，这源于旋叶发动机特有的容积变化特性。研究通过对比发现，在相同当量比条件下，混合燃料的燃烧延迟期比纯氢燃料缩短22.3%，较纯氨燃料缩短58.4%。这种性能提升主要得益于氢气的低点火能特性（氢气/空气混合气的最低点火能仅为0.02mJ，较氨气降低76%），使得混合燃料在压缩比12.5的工况下仍能实现稳定点火。

针对发动机机械损耗问题，研究团队通过改进喷射策略提出解决方案。当喷射位置为C时，燃料射流与涡流场的耦合作用使燃烧室内的湍流强度降低至0.45m/s以下，显著减少转子密封面的磨损速率。数值模拟显示，优化后的喷射模式可使机械效率提升至91.2%，较传统DI系统提高14.5%。这种机械效率与燃烧效率的协同优化，为解决旋叶发动机长期存在的效率瓶颈提供了新思路。

在工程应用层面，研究提出了分阶段喷射控制策略。建议在进气阶段（-500°CA至-350°CA）注入30%的氨氢混合燃料，既保证初始混合气形成，又避免过早喷射导致的燃烧不稳定。主喷射阶段（-190°CA）集中注入70%燃料，配合涡流发生器优化射流角度，使燃料分布均匀性提升至98.7%。这种分阶段喷射策略使发动机热效率达到61.3%，较单一喷射方式提高19.8%。

该研究对工业界的启示体现在三个方面：首先，建立基于三维流场模拟的喷射参数优化系统，可将试验迭代周期从传统方法的120小时缩短至48小时；其次，开发具有自适应涡流调控功能的喷射器，可使混合燃料的扩散系数在0.18-0.22cm2/s范围内精准控制；最后，建议采用氢气梯度注入与氨气脉冲喷射的复合策略，在保持燃烧稳定性的同时将NOx排放控制在30mg/kWh以下。

当前研究仍存在待完善领域：其一，未考虑不同转速下涡流强度变化对燃烧的影响，建议后续研究建立动态涡流模型；其二，未涉及多循环工况下的燃料兼容性问题，需进一步验证长期运行稳定性；其三，氢气存储与运输的经济性尚未纳入评估体系，未来应结合全生命周期成本分析进行优化。

该成果为氢能汽车与分布式发电系统提供了关键技术支撑。在氢能汽车领域，优化后的喷射策略可使发动机功率密度提升至380kW/L，较传统氢燃料电池系统提高45%；在分布式发电方面，旋叶发动机的模块化设计结合氨氢混合燃料特性，可使系统整体热效率突破65%，为工业园区碳中和改造提供可行方案。研究团队已与某汽车制造商达成技术转化协议，计划在2025年推出首款搭载该技术的氢能混动机组。

该研究不仅完善了旋叶发动机燃烧理论体系，更在工程应用层面取得突破性进展。通过建立包含流体力学、燃烧学、热力学的多物理场耦合模型，成功将氨氢混合燃料的燃烧稳定性提升至98.7%工况可用率，较现有文献报道数据提高22个百分点。特别在排放控制方面，创新性地提出基于氢气浓度梯度的NOx减排机制，使氨氢燃料的NOx排放强度降至42mg/kWh，达到欧盟Stage V排放标准限值（50mg/kWh）的84%，为后续排放标准升级预留技术空间。

未来研究方向应着重于多工况适应性优化与全系统集成验证。建议在现有三维模型基础上，引入数字孪生技术构建实时反馈系统，通过机器学习算法动态调整喷射参数。同时需要开展全生命周期测试，特别是燃料兼容性、材料耐蚀性以及长期运行下的排放稳定性验证。这些研究将推动氨氢混合燃料在旋转发动机领域的规模化应用，为全球能源结构转型提供关键技术支撑。