氨气/氢气双重直接喷射位置对旋转发动机中燃料分布和燃烧特性的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Effect of ammonia/hydrogen dual direct injection positions on fuel distribution and combustion characteristics in a rotary engine

　　•建立了一个氨/氢旋转发动机的三维双直喷模型。•注射后立即点火导致混合窗口极短。•氢的注射位置对燃烧的影响大于氨的位置。•中心氢注射形成了最佳的氢核心-氨外壳结构。•中心氢注射使峰值压力提高了11-43%，同时NOx排放量大幅降低。

引言
随着全球净零目标的日益重视，零碳燃料在内燃机（ICE）研究中的关注度越来越高[1]，[2]。氢和氨作为无碳载体可以互补使用。氢具有出色的燃烧反应性，但由于体积能量密度低以及储存和运输要求苛刻而受到限制；而氨的储氢量大约是液态氢的1.5倍，并且受益于成熟的合成产业、温和的液化条件以及完善的处理协议[3]。研究表明，无论是直接燃烧还是通过部分转化为氢来进行燃烧，基于氨的燃烧都是实现电力和交通脱碳的最实用途径之一[4]。然而，在发动机内部利用这种互补性远非易事，因为这两种燃料在几乎所有控制点火和火焰传播的特性上都有显著差异。

氨理论上是实现内燃机零碳排放的最佳选择。然而，氨的层流火焰速度仅为0.07米/秒，自燃温度高达930K，且易燃范围狭窄，这些都是燃烧上的劣势[5]，[6]。这些特性使得在实际应用中使用纯NH3变得困难[7]。为了改善其燃烧性能，通常会将氨与更具反应性的燃料混合[8]，[9]。氢（H2）被认为是一种可以提高氨燃烧性能的增强剂[10]。氢的层流火焰速度高达3.51米/秒，燃烧范围广，点火能量极低，并且能够在燃烧过程中有效产生诸如H、OH和O等活性自由基[11]，[12]。NH3-H2双燃料组合可以实现零碳排放[13]。此外，通过优化氢和氨的空间分布，可以形成“氢核心-氨外壳”结构。这种结构在氢核心区域维持快速燃烧，同时使周围的氨保持在化学计量范围内以完成燃烧，有效控制局部热点温度并抑制过多的热NOx生成[14]。

然而，在实践中实现这种氢-氨分层结构很大程度上取决于发动机类型以及NH3-H2混合物在发动机内的形成方式。旋转发动机（RE）设计紧凑，功率重量比高，振动和噪音低，适用于混合动力车辆和无人机（UAV）[15]，[16]，[17]。农业无人机对动力系统有严格的要求[18]。传统的活塞发动机和电池无法满足这些需求。作为有前景的替代方案，RE能够提供更好的运行性能[19]。从结构上看，进气、燃烧和排气过程占据缸体的不同区域[15]：进气侧相对凉爽，消除了往复式发动机中因阀门重叠导致的回火和预燃风险[20]，[21]，而燃烧侧墙壁反复被火焰扫过并保持高温——这种环境有利于点燃低反应性燃料。然而，同样的几何结构对火焰发展施加了严格限制。细长的燃烧室具有较高的表面积与体积比，导致严重的壁面热损失，使得氨火焰在燃烧室后部（BOC）容易被熄灭[22]。此外，从燃烧室后部（BOC）向前部（FOC）的强单向流动阻碍了火焰向后的传播，在BOC处留下未燃烧的区域并增加未燃烧燃料的排放[23]。对于依赖于空间分层的燃料对来说，这些限制使得点火时氢和氨的空间分布成为重要因素，并增加了对燃料输送控制的要求。因此，对于氨-氢双燃料RE来说，精确控制两种燃料的空间分布尤为重要。直喷（DI）提供了一种有效调节缸内混合物分布的方法，从而改善燃烧组织和燃料利用率。

DI技术能够实现精准的缸内混合物分布，克服了歧管喷射的局限，并且是提高RE燃烧效率和排放控制的关键[24]。Fan等人[25]对带有周边进气口的RE中的天然气/氢混合物的喷射策略进行了数值研究，发现优化后的喷射方案有效减轻了BOC处的不完全燃烧，显著提高了燃烧速率和效率。关于氢直喷策略，Yang等人[26]改变了氢的喷射路径，通过直接喷入缸内实现了分层燃烧，证明了DI模式在混合物均匀性和燃烧效率方面优于进气歧管喷射，并能有效减少BOC处的未燃烧区域。最近关于氢燃料和富氢RE的研究进一步表明，燃料喷射与缸内流场的相互作用强烈影响混合物形成和燃烧过程[27]，[28]，[29]，[30]。Li等人[31]系统研究了不同氨-氢混合比例和喷射时机的耦合效应，发现当NH3的质量分数为0.6且喷射时机为395°CA BTDC时，氨-氢的消耗率接近100%。

与混合端口/直喷策略相比，氨-氢双直喷（AHDI）在控制燃烧室内两种燃料的空间分布方面提供了额外的灵活性[32]。在NH3端口喷射/H2直喷配置中，氢可以直接输送到所需的缸内区域，而氨则通过进气口引入，其分布主要由进气流和随后的缸内传输决定。相反，在H2端口喷射/NH3直喷配置中，氨的分布可以直接由喷射位置控制，而氢的空间分布主要在进气和压缩过程中确定。尽管这两种混合策略都能实现混合物分层并改善燃烧性能，但它们无法独立控制缸内两个燃料喷射的相对位置。相比之下，AHDI允许独立调节氢和氨的喷射位置，为调节局部燃料富集和两种燃料喷射之间的相互作用提供了额外的自由度。这对于旋转发动机尤为重要，因为其细长的燃烧室和强烈的定向缸内流对混合物形成和火焰传播提出了重大挑战[33]。此外，本研究采用的注射后立即点火的策略为燃料混合提供了极短的间隔时间，使得点火时的混合物分布对初始喷射位置非常敏感。在这种情况下，独立控制氢和氨的空间输送对于研究它们的喷射位置组合如何影响局部燃料分层、火焰核心形成和随后的燃烧发展至关重要。因此，选择AHDI不仅是为了改善燃烧性能，更是为了在极短的混合间隔内系统研究氢和氨喷射位置的耦合空间效应。最近的研究调查了AHDI策略[34]。Fu等人[34]研究了AHDI条件下喷射时机与发动机速度的耦合效应。他们发现，当H2和NH3的喷射时机分别优化为250°CA BTDC和280°CA BTDC时，缸内峰值压力最高。通过“氢核心-氨外壳”分层燃料结构，燃烧持续时间缩短了10.01%。在1200–1400 r/min的速度范围内，整体性能相对最佳。Chen等人[35]优化了喷嘴位置和喷射时机的组合配置。结果表明，当喷嘴安装在主轴下方30毫米处并在190°CA BTDC进行DI时，获得了最佳的整体性能。Bao等人[33]专注于抑制未燃烧区域和管理局部热负荷，系统研究了双直喷位置、喷射角度和异步喷射策略对NH3/H2 RE燃烧行为的影响。他们的结果表明，将氢喷射器安装在主轴上方30毫米处可以在FOC和MOC范围内产生更均匀的氨-氢分布，显著减少了未燃烧区域的燃料。

然而，在所有这些研究中，两种喷射器的位置从未同时变化——要么是一个预混合喷射器被重新安置[35]，要么其中一个燃料的喷嘴移动而另一个保持固定[33]——因此氢和氨喷嘴的位置组合一直是一个未探索的设计方向。同样重要的是，几乎所有报告的策略都在压缩冲程早期完成喷射，从而在点火前留下了较长的混合松弛时间。Zambalov等人[36]指出，这种长时间的间隔会导致氢的扩散性破坏喷射形成的分层，并提出将喷射时间推迟到压缩冲程后期甚至点火之后，作为保持有效分层的有希望的方法。

总之，尽管AHDI在RE方面的研究取得了进展，但仍有两个重要问题尚未得到充分理解。首先，以往的研究主要优化了喷射时机或单个喷射器的位置，而H2和NH3喷射器空间组合的耦合影响并未得到系统阐明。其次，大多数报告的喷射策略在燃料喷射和点火之间提供了较长的间隔时间，在此期间氢的高扩散性可能会削弱 initially 建立的燃料分层。特别是在注射后立即点火的情况下，极短混合间隔下的混合物形成和燃烧特性仍然不清楚。此外，尽管混合端口/直喷策略可以调节直接喷射燃料的分布，但它们无法在喷射后期独立改变氢和氨喷射的位置。因此，使用这些配置无法完全研究两种独立定位的燃料喷射对混合物分层和火焰发展的耦合影响。这一区别凸显了本研究采用AHDI的必要性。

为了解决这些研究空白，本研究开发了一个三维数值模型的AHDI RE。在注射后立即点火的策略下，系统研究了不同氢和氨喷射器位置组合对燃料分布和燃烧特性的影响。与只能直接控制两种燃料喷射之一的混合端口/直喷配置不同，所采用的AHDI配置允许独立变化两种燃料喷射器的位置。这使得能够系统评估氢和氨喷射位置对缸内流动、燃料分层、火焰发展、燃烧相位、指示性能和NOx生成的耦合效应。这项工作的主要创新在于揭示了两个独立定位的燃料喷射之间的空间耦合如何在极短混合间隔内控制混合物形成和燃烧行为。研究结果提供了对燃料分层机制的见解，并为优化RE中AHDI系统的空间布置提供了指导。

实验装置
本研究基于Z160F单火花塞RE建立了一个实验平台[37]；修改后的实验装置如图1[38]所示。该装置提供了用于在不同发动机速度和当量比下评估模型的缸内压力测量和验证数据。

数学模型和网格生成
在本研究中，使用Creo软件对RE的几何形状进行了建模。得到的氨/氢RE三维模型如图2(a)所示，并导入CONVERGE软件中进行分析。

为了研究喷射位置如何影响混合物形成，从而提供跨喷射位置组合的受控比较，选择了五个代表性案例H2N1、H2N3、H3N1、H3N5和H4N1，基于受控比较策略进行选择。H2N1和H2N3使用相同的氢喷射位置，但采用不同的氨喷射位置，以便隔离氨位置的影响。H2N1和H4N1使用相同的氨喷射位置。

结论
本研究探讨了不同喷嘴位置组合在AHDI方案下对燃烧和排放特性的影响，揭示了AHDI对RE中燃料分布和燃烧的机制。主要结论如下：
(1) 氢的喷射位置显著影响早期火焰发展和瞬时燃烧强度。从中心位置3喷射产生的平均缸内压力峰值为1.91 MPa，平均峰值热释放率为...

作者贡献声明
Huaizhe Zhang：撰写——原始草稿、调查、正式分析、数据整理。
Jianfeng Pan：撰写——审阅与编辑、监督。
Baowei Fan：资源、方法论、概念化。
Pengzhen Li：资源、方法论。翁福：调查研究、数据整理、概念化。程阳：资源整合、调查研究。文明阳：资源整合、概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究工作的个人关系。

致谢
本项工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52276117）的支持。

作者：张怀哲 | 潘建峰 | 范宝伟 | 李鹏珍 | 翁福 | 程阳 | 文明阳