氨-柴油双燃料低负荷燃烧的光学诊断与NOx排放机理研究

针对氨-柴油双燃料发动机在低负荷（IMEP < 4 bar）下燃烧不稳定、效率低及NOx排放高的难题，研究者通过光学发动机实验同步采集缸压与自然火焰辐射（NFL）数据，揭示柴油喷射压力（600-1000 bar）和氨能量比（60%-70%）对火焰传播与排放的影响，为优化低碳燃料燃烧技术提供理论支撑。

　　

全球变暖背景下，绿色能源衍生的氨（NH₃）作为氢载体成为内燃机脱碳研究热点。然而，氨的高自燃温度、慢火焰速度等特性导致其在低负荷工况下燃烧效率骤降，且伴随大量未燃NH₃和N₂O（温室效应为CO₂的200余倍）排放。现有研究多聚焦中高负荷，而低负荷（净指示平均有效压力IMEP < 4 bar）的燃烧机制尚不明确，尤其缺乏连续循环的光学诊断数据。

为解决这一难题，天津大学联合沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）团队在AVL光学单缸机上，首次实现200次连续循环的缸压与自然火焰辐射（NFL）同步采集，结合排放分析，系统探究了柴油喷射压力（600/800/1000 bar）和氨能量比（60%/70%）对低负荷燃烧的影响。论文发表于《Journal of the Energy Institute》。

关键技术方法
研究采用85 mm缸径的光学发动机，通过石英活塞窗与底部反射镜实现燃烧室可视化。高压共轨柴油喷射系统调节压力，电控端口喷射氨气预混。0.1°曲轴转角分辨率采集缸压，高速相机记录NFL图像，排放分析仪检测NO_x。实验涵盖IMEP 2.5-4 bar工况，对比纯柴油与双燃料模式的燃烧差异。

研究结果

1. 氨对柴油燃烧的抑制作用
低负荷下，氨掺混延长滞燃期，CA50（50%燃烧相位）推迟2-4°曲轴转角。NFL显示，纯柴油的8个自燃核心可快速覆盖燃烧室，而氨掺混后火焰仅沿柴油喷雾路径发展，中心区域残留未燃NH₃。

2. 柴油喷射压力的关键作用
压力从600 bar升至1000 bar时，柴油雾化改善形成更大可燃区域。800 bar工况下，火焰面积扩大35%，CA10（10%燃烧相位）提前1.5°，氨燃烧效率提升12%。但压力超过1000 bar会导致过度扩散，反降低着火稳定性。

3. 氨能量比的权衡效应
能量比从60%增至70%时，IMEP下降18%，循环波动率（COV_IMEP）升高至5.3%。NFL图像显示，高氨比例下火焰亮度减弱，未燃NH₃积聚于燃烧室中心，NO_x排放峰值后移，与局部高温区分布一致。

4. NO_x生成机制
低负荷下NO_x主要源于热力型路径（thermal NO_x），与火焰温度强相关。氨能量比70%时，NO_x排放较纯柴油高40%，但通过优化喷射压力可降低15%-20%。

结论与意义
该研究首次揭示了低负荷下氨-柴油双燃料的燃烧特性：柴油分布范围主导氨燃烧效率，而喷射压力通过改善混合气形成影响火焰传播。成果为双燃料发动机建模提供关键数据，指导低负荷工况优化——例如采用800-1000 bar喷射压力与60%-65%氨能量比的组合可兼顾效率与排放。研究突破传统跳火模式（skip-fire）限制，为连续循环光学诊断树立新范式，推动氨作为零碳燃料的实用化进程。