基于CFD的氨-柴油双燃料发动机燃烧特性与氨逃逸数值研究

为应对碳中和背景下内燃机碳减排需求，研究人员采用三维计算流体力学(CFD)模拟方法，探究了氨-柴油双燃料发动机的燃烧特性与氨逃逸机制。研究发现氨主要通过柴油喷雾羽流协同燃烧消耗，但过量替代会导致氨燃烧效率下降，提出掺氢改善火焰传播特性的优化策略，为清洁燃料发动机设计提供理论依据。

　　

在全球碳中和战略推动下，交通运输领域亟需寻找可替代传统化石燃料的零碳能源。氨(NH₃)因其高能量密度和零碳特性成为研究热点，但作为内燃机燃料存在燃烧速度慢、易发生氨逃逸(ammonia slip)等技术瓶颈。尤其当采用进气道喷射方式实现氨-柴油双燃料燃烧时，氨与空气混合不均匀会导致部分未燃氨直接排放，不仅造成能源浪费，更可能形成二次污染。这些问题的核心在于缺乏对缸内氨燃烧时空演化规律的认知，制约了双燃料发动机的优化设计。

针对这一挑战，浙江大学能源清洁利用国家重点实验室的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表最新研究，通过三维计算流体力学(CFD)模拟揭示了氨-柴油双燃料发动机的燃烧机理。研究人员构建了基于3.26升涡轮增压柴油发动机的CFD模型，采用CONVERGE软件耦合详细化学反应机理，对比分析了纯柴油模式与氨能量替代比(AER)19%的双燃料模式。研究发现：在压缩上止点附近，少量氨可通过低温氧化消耗，但过稀的氨-空气混合气抑制了自燃，形成无爆震燃烧；大部分氨依赖柴油喷雾羽流扩散火焰实现协同燃烧，未参与反应的氨会与氮氧化物(NO_x)在低温区生成氧化亚氮(N₂O)。研究特别指出，氨替代比例过高会缩短柴油喷射持续时间，削弱高温气体流动对氨混合气的卷吸作用，导致氨燃烧效率从基准工况的85%骤降至60%，未燃氨排放量显著增加。

关键技术方法包括：1) 基于实际发动机参数(缸径95mm，压缩比17.5:1)构建CFD模型；2) 采用SAGE详细化学反应求解器耦合氨-柴油混合燃烧机理；3) 通过实验数据验证模拟结果的准确性；4) 量化分析不同燃烧阶段氨质量分数消耗比例。

【氨燃烧行为与排放形成】章节显示，双燃料模式下氨消耗呈现三阶段特征：压缩阶段约5%氨通过低温氧化分解，主燃烧阶段70%氨在柴油喷雾前锋高温区消耗，膨胀阶段残余氨与NO_x发生选择性非催化还原(SNCR)反应。缸内流场可视化表明，柴油喷雾诱导的涡流运动是促进氨混合的关键因素。

【氨能量比影响】章节通过参数化研究发现，当AER从10%增至30%时，柴油喷射持续时间由24°CA缩短至18°CA，导致喷雾发展距离减少23%，未燃氨区域扩大1.8倍。这解释了为何高替代率工况下氨燃烧效率急剧恶化。

研究结论强调，优化双燃料发动机需着力解决稀薄混合气火焰传播难题。通过掺入10-20%氢气可降低氨的稀燃极限，增强湍流火焰传播能力。该研究不仅阐明了氨逃逸的形成机制，更提出了"引导火焰强化+燃料改性"的组合技术路线，为开发高效零碳发动机提供了重要理论支撑。论文中建立的CFD分析方法已被应用于新型掺氢氨燃料发动机的研发，相关成果对实现动力装备深度脱碳具有指导意义。