甲烷-柴油双燃料直喷燃烧在发动机相关条件下的相互作用机制与优化研究

本研究针对双燃料发动机中甲烷与n-庚烷（柴油替代燃料）的直喷燃烧问题，通过高精度光学诊断技术，系统探究了燃料喷射顺序、停留时间、环境温度（780–1050 K）和氧气浓度（21–10 vol.% O2）对火焰点火与发展的影响。研究发现，在基准条件下（890 K，21 vol.% O2），先导喷射策略中n-庚烷提前喷射可延长甲烷点火延迟，而主喷射策略中甲烷提前喷射则通过混合效应提升热释放峰值。研究为优化双燃料发动机燃烧稳定性及减排提供了关键实验依据，对推动低碳燃料应用具有重要意义。

　　

在能源转型与碳中和目标的推动下，天然气因其低碳特性成为发动机领域的研究热点。然而，甲烷作为主要成分，其高全球变暖潜能值（GWP）使得未燃甲烷排放问题尤为突出。传统双燃料发动机采用高压直喷（HPDI）技术，通过少量柴油引燃甲烷，但喷射策略与环境参数对燃烧稳定性和污染物生成的影响机制尚不明确。现有研究多集中于预混燃烧，对直接喷射模式下燃料射流相互作用的动态过程缺乏系统认知，制约了高效低排放燃烧技术的开发。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队在《Fuel》发表了一项创新性研究。团队设计了一套光学可访问的定容燃烧室实验系统，模拟发动机上止点条件（5.2 MPa，890 K），采用高速纹影成像和压力追踪技术，首次揭示了甲烷与n-庚烷双燃料射流在收敛配置下的相互作用规律。研究通过控制变量法，系统考察了两种喷射序列（先导-主序/主-先导序）、三种停留时间（1–3 ms）及不同环境参数（O₂浓度21–10 vol.%，温度780–1050 K）下的燃烧特性。

关键技术方法包括：1）预燃式定容燃烧室模拟发动机工况；2）Z型纹影成像系统（37,500 fps）捕捉射流边界与火焰结构；3）基于Savitzky-Golay滤波的压力信号处理技术提取热释放率（HRR）；4）单孔喷嘴设计（甲烷喷嘴0.8 mm，n-庚烷喷嘴0.105 mm）简化流动干扰。

主要研究结果
3.1 n-庚烷燃烧特性
基准条件下n-庚烷自燃延迟为0.50±0.06 ms，低温（780 K）下延迟延长至2.01 ms，证实环境温度对点火动力学具有决定性影响。

3.2 先导-主喷射策略
当n-庚烷先喷射时，其燃烧产物需与甲烷射流混合后才能引燃。纹影图像显示，停留时间延长至3.03 ms时，冷却效应导致甲烷点火延迟增加1.3 ms（vs 0.03 ms基准案例），并出现上游分离点火核现象，引发HRR波动（峰值差达80 J/ms）。

3.3 主-先导喷射策略
甲烷先喷射时，其预混量随停留时间增加而上升。1.97 ms停留时间案例显示，HRR峰值较基准提高22%，归因于更充分的预混燃烧。火焰稳定位置始终维持在喷嘴下游20 mm，证实喷射顺序对燃烧相位控制的关键作用。

环境参数影响
低温（780 K）使甲烷火焰抬升长度增至54 mm（1050 K时为12 mm），而低氧条件（15 vol.% O₂）下火焰直接过渡到下游稳定状态，10 vol.% O₂时甲烷完全失燃。

研究结论与意义
该研究首次阐明了双燃料射流在收敛配置下的动态耦合机制：1）先导燃料产物温度场决定主燃料点火延迟；2）射流夹角影响燃烧产物夹带效率，进而调控火焰稳定位置；3）环境氧浓度低于15 vol.%时，现有策略难以维持燃烧。这些发现为HPDI发动机喷嘴布局优化、EGR（废气再循环）边界确定提供了实验基准，对减少甲烷逃逸（减排28倍CO₂当量）具有重要工程指导价值。未来研究可结合多孔喷嘴与湍流场，进一步逼近真实发动机工况。