氧富集对火花点火发动机中氨燃烧的影响：部分负荷条件下的实验与数值研究

为解决NH3燃料在火花点火(SI)发动机中因低反应性导致的燃烧不稳定、高未燃氨排放及低效问题，研究人员通过实验和数值模拟探究了氧(O2)富集对NH3/O2/N2混合气燃烧特性的影响。结果表明，O2浓度提升至22.4%可显著缩短点火延迟时间(CA0-10)和燃烧持续时间(CA10-90)，降低循环波动(COVimep)，但会增加NOx排放。该研究为氨燃料发动机在低碳交通中的应用提供了关键技术支撑。

　　

氨(NH₃)作为零碳燃料，因其高能量密度和易储运特性被视为内燃机(ICE)脱碳的关键选项。然而，NH₃的高最小点火能(8 mJ)和低层流火焰速度(LFS，仅7 cm/s)导致其在火花点火(SI)发动机中燃烧效率低下，尤其在部分负荷工况下，高循环间波动(CCV)和频繁失火严重制约应用。尽管已有研究尝试通过掺氢(H₂)或提高压缩比(CR)改善燃烧，但系统复杂性和成本限制了推广。氧(O₂)富集燃烧通过增强混合气反应性成为潜在解决方案，但其对NH₃燃烧特性及发动机性能的影响机制尚不明确。

为回答这一问题，法国奥尔良大学联合研究团队在《Fuel》发表研究，采用实验与数值模拟相结合的方法，系统考察了O₂富集对单缸SI发动机(CR 12:1，转速1000 rpm)中NH₃燃烧的影响。研究通过调节进气压力(0.94-0.86 bar)模拟不同负荷条件，结合CHEMKIN-Pro 2024软件进行1D层流火焰模拟和0D双区发动机建模，采用Stagni等人开发的31物种203反应化学动力学机理，揭示了O₂促进燃烧的关键路径。

主要技术方法

1. 发动机实验：在单缸GDI发动机(排量535 cm³)中预混NH₃/O₂/N₂，通过Brooks质量流量计精确控制气体比例，采集300个工作循环的缸压数据。
2. 1D层流火焰模拟：采用PREMIX模块计算绝热无拉伸平面火焰的LFS，边界条件设定为火花定时(ST)工况(670 K，6.2 bar)。
3. 0D双区模型：基于实测放热率(CHR)预测NO_x生成路径，结合Woschni传热关联式评估热损失。

研究结果
4.1 O₂富集对部分负荷燃烧的影响

• 中等负荷(IMEP 5.8 bar)下，O₂浓度从21%增至22.4%时，COV_imep从31%骤降至2.2%，CA^10-90缩短51.2%，但继续提高O₂浓度效果趋缓。
• 低负荷(IMEP 4.3 bar)需更高O₂浓度(32.5%)才能消除失火，此时NO_x排放较基线升高20倍，主要归因于热力型NO生成反应N + O₂ ? NO + O的贡献率从5%增至19%。

4.2 化学动力学分析

• 敏感性分析显示，链分支反应O₂ + H ? O + OH是提升LFS的核心路径，O₂浓度26.8%时O自由基峰值增加255%。
• NH₃消耗主要通过NH₃ + OH ? NH₂ + H₂O实现(占87%)，而湍流效应使O₂富集火焰从"薄反应区"向"皱褶火焰let" regime转变。

结论与意义
该研究首次证实O₂富集可将NH₃燃料SI发动机的稳定运行负荷下限扩展至IMEP 4.3 bar，但需权衡NO_x排放代价。通过揭示O/HO₂自由基的关键作用及NO生成路径，为后续开发O₂膜分离集成系统提供了理论依据，推动氨燃料在交通领域的商业化应用。