近临界条件下氨燃料喷射动力学研究：基于ECN Spray M喷油器的实验探索

为应对气候变化背景下碳中性燃料的开发需求，中国科研团队采用高速纹影成像技术，系统研究了ECN Spray M多孔喷油器在近临界条件(Pf=11.3 MPa, Tf=406 K)下的氨喷雾动态特性。研究发现超临界喷射可消除喷雾坍塌现象，并通过自组织映射分析揭示了不同环境压力(P∞=0.4-5.0 bar)下的马赫盘结构与闪沸效应关联机制，为氨燃料直喷系统优化提供了关键实验依据。

　　

在全球碳中和战略背景下，氨(NH₃)因其零碳特性成为内燃机替代燃料的研究热点。然而这种具有刺激性气味的化合物在发动机应用中面临重大挑战——其独特的物性使得传统燃油喷射技术难以实现高效雾化。更棘手的是，现有研究多局限于单孔喷油器，而实际发动机采用的多孔喷油器会产生复杂的喷雾相互作用，导致"喷雾坍塌"(spray collapse)现象，造成燃油湿壁和燃烧不均。面对这一技术瓶颈，中国研究人员开展了一项开创性研究。

陕西科技协会资助的研究团队首次采用ECN(发动机燃烧网络)标准Spray M八孔喷油器，通过高速纹影成像技术捕捉了近临界条件下氨喷雾的动态演变。实验在10L定容燃烧室内进行，精确控制了燃料喷射压力(P_f)、温度(T_f)和环境压力(P_∞)等关键参数。研究团队创新性地引入自组织映射(SOM)算法分析喷雾形态特征，并结合马赫盘(Mach disks)结构观测揭示了超临界喷射的独特机制。

关键技术包括：1)搭建光学定容燃烧室系统模拟发动机环境；2)采用高速纹影成像(10⁵ fps)捕捉瞬态喷雾结构；3)通过SOM算法量化喷雾形态特征；4)系统研究P_f(11.3 MPa)、T_f(293-423 K)和P_∞(0.1-5.0 bar)的多参数耦合效应。

近临界燃料喷射
当T_f接近临界温度(406 K)时，喷雾核心区出现显著像素强度变化，表明液滴集群密度分布改变。在P_∞=0.1 bar条件下，喷雾呈现典型的"钟形坍塌"结构，这与传统碳氢燃料的"伞形坍塌"截然不同。

环境压力效应
研究发现P_∞升高至5.0 bar时，喷雾形态发生根本性转变：1)在亚临界状态(T_f<406 K)下出现明显坍塌；2)在近/超临界状态(T_f≥406 K)下坍塌现象消失，形成稳定的多束独立射流。SOM分析表明这种转变源于闪沸(flash boiling)引发的相变动力学改变。

超临界喷射特性
在P_f=11.3 MPa、P_∞=5.0 bar条件下，超临界喷射展现出独特优势：1)产生平衡的喷雾特性(低P_∞时)；2)实现高效喷雾行为(高P_∞时)；3)形成明显的马赫盘结构，证实了强烈的喷雾-环境相互作用。

结论与展望
该研究首次揭示了氨燃料在近临界条件下的多孔喷射特性：1)相变过程主导喷雾形态演变；2)超临界状态可有效抑制坍塌现象；3)马赫盘结构证实了闪沸诱导的冲击波效应。这些发现为开发"压缩冲程后期喷射策略"提供了理论依据，推动氨燃料从实验室走向实际应用。Mohamed Qenawy和Zhang Shizhao等作者在《Fuel》发表的这项研究，不仅填补了多孔喷油器氨喷雾数据的空白，更为清洁发动机技术发展指明了新方向。