氢氧富集预燃室射流点火强化预混氨燃烧的机理与优化研究

本研究针对氨燃料燃烧效率低、点火能量需求高的难题，通过氢氧富集预燃室射流点火技术，系统探究了氧浓度(30%-70%)对氨燃烧三种点火模式(局部复燃/射流二次点火/射流火焰点火)的影响规律，并优化了喷嘴几何参数(孔径1.50-2.12mm/累计面积比)。发现氧富集可缩短燃烧持续期、降低NH3 /N2 O排放，为船用氨燃料发动机设计提供理论支撑。

　　

全球气候变暖背景下，航运业面临严峻的脱碳压力，氨(NH₃
)作为零碳燃料因其储运优势备受关注。然而氨燃料存在火焰传播速度慢、点火能量高、可燃范围窄等固有缺陷，严重制约其在船舶发动机中的应用。虽然添加柴油或氢(H₂
)可改善燃烧性能，但前者违背零碳排放目标，后者则面临储运安全挑战。预燃室(PC)湍流射流点火技术通过小剂量高活性燃料(如H₂
)在预燃室内形成高温射流，能显著提升主燃室(MC)氨混合气的燃烧效率，但关于氢氧协同富集燃烧机制及喷嘴参数优化的系统性研究仍属空白。

针对上述问题，研究人员通过光学定容燃烧实验系统，创新性地采用双通道高速纹影成像技术，在非反应性(氮气填充)和反应性(预混氨空气)两种环境下，解耦分析了预燃室氢氧富集燃烧与喷嘴几何参数对射流行为及氨燃烧特性的影响机制。研究发现氧浓度提升会依次诱发局部复燃、射流二次点火和射流火焰点火三种模式，当氧浓度达50%时燃烧持续期最短。喷嘴优化表明，在相同累计面积下，3×2.12mm孔径设计比6×1.50mm更利于氨点火；而同孔径条件下，较小累计面积喷嘴产生的高速热射流更具优势。该成果为船用氨燃料发动机预燃室设计提供了关键参数优化依据，对实现航运业碳中和目标具有重要意义。论文发表在《Journal of the Energy Institute》。

关键技术包括：1) 自主设计的主动预燃室点火系统集成火花塞、燃料供应线和压力传感器；2) 双通道高速纹影成像同步捕捉预燃室射流与主燃室燃烧过程；3) 定容燃烧室光学诊断平台实现1.0MPa初始压力下的可控实验；4) 多参数喷嘴模块(6×1.50mm/3×2.12mm等组合)对比研究。

【氧浓度对预燃室预混气的影响】
通过监测预/主燃室压差(ΔP_PC-MC
)和射流喷射时序发现：氧浓度从30%增至70%时，最大压差提升2.3倍，射流初速度增加58%。纹影图像显示三种典型点火模式转变，其中50%氧浓度时燃烧持续期最短(较30%缩短37%)，此时射流火焰能完全贯穿主燃室。

【喷嘴几何参数的影响】
对比相同累计面积(10.6mm²
)的6×1.50mm和3×2.12mm喷嘴，后者因单孔射流动量更高使氨点火成功率提升42%。而对比同孔径(2.12mm)不同累计面积喷嘴，较小面积组因射流速度优势使燃烧相位提前5°CA。

【排放特性】
氧富集使未燃NH₃
和N₂
O排放分别降低63%和81%，但NO_x
排放轻微上升12%。3×2.12mm喷嘴设计在保持低NH₃
排放同时，NO_x
生成量较6×1.50mm设计减少15%。

结论表明，氢氧富集预燃室通过调控射流反应活性与动力学特性，能有效解决氨燃料燃烧难题。50%氧浓度配合3×2.12mm喷嘴构成最优参数组合，该设计可充分利用船舶制氮副产氧和电解水副产氧资源，实现"燃料-减排"协同优化。研究首次揭示了氧浓度梯度变化与射流点火模式的定量关系，建立的喷嘴参数优化准则为工程应用提供了直接指导，推动氨燃料在大型船舶发动机中的商业化应用进程。