研究氨-氢发动机中的主动预燃室喷射点火技术，以降低对氢气的需求

《Energy》：Investigating active pre-chamber jet ignition in ammonia-hydrogen engines to minimize hydrogen requirements

　　

Jinguang Li|Minghao Zhu|Xingqian Mao|Hai Diao|Wei Li|Jiaying Pan

天津大学发动机国家重点实验室，中国天津300072

摘要

氢辅助燃烧已成为提高低反应性氨发动机点火性能和稳定性的有效技术。然而，现有方法中对氢的需求较高，限制了其实际应用。本研究通过实验研究了在超低氢混合比例下主动预燃室发动机的点火和燃烧特性。利用缸内压力分析和光学诊断方法系统评估了氢喷射时机和氢混合比例的影响。结果表明，即使在非常低的氢含量（2.0-3.0%）下，也能维持稳定的燃烧，同时燃烧相位得到改善，循环间变化也有所减少。最佳喷射时机约为上止点前-60°CA，有效工作窗口为上止点前-100°CA至-40°CA。排放测量显示，氢辅助燃烧减少了氨的未燃烧排放，表明燃烧效率得到提高，而NO排放量略有增加，这反映了燃烧效率提升与NOx生成之间的典型权衡。光学观察进一步表明，预燃室喷射点火促进了早期火焰核的形成和快速的空间传播，从而提高了燃烧稳定性。这种增强主要与局部点火强化和火焰生长加速有关，而不是整体混合气反应性的均匀增加。总体而言，本研究证明了超低氢辅助燃烧的可行性，并为优化预燃室发动机系统的喷射策略提供了定量指导。

引言

为了实现交通运输领域的脱碳，需要采用与基础设施兼容、具有高能量密度的无碳能源载体。氨（NH₃）因其碳中性特性、高氢携带能力以及成熟的储存和分配物流而成为主要候选者[1]、[2]、[3]。然而，其固有的低反应性导致点火性能差、火焰传播缓慢和氧化不完全，这限制了其在发动机中的直接应用[4]、[5]、[6]。

氢（H₂）的混合是一种有效的方法，可以克服这些限制，因为氢具有较高的层流火焰速度和宽广的易燃范围[7]、[8]。在基于NH₃的系统中，可以利用废气热量在原位生成H₂，从而提供一种潜在的高效反应性增强途径[9]、[10]、[11]。大量研究表明，氢混合可以显著提高点火可靠性并减少燃烧波动。然而，传统的预混合策略通常需要相对较高的氢含量（>10%体积）才能确保稳定运行[12]，这降低了整体系统效率并增加了储存和供应的复杂性。因此，在保持燃烧稳定性的同时最小化氢消耗仍然是氨发动机面临的关键挑战。

主动预燃室（PC）配置作为一种高效的结构，能够在较低的氢需求下增强点火[13]、[14]。在这种配置中，预燃室作为能量流的来源，释放出的喷射流穿透主燃烧区以触发燃烧[15]。对于氨-氢混合物，这些喷射流引入了反应性物种（如H、O和OH），从而促进点火并加速火焰发展[16]、[17]。先前的研究已经证明了这种方法的有效性。Shang等人[13]报告称，在主动PC NH₃发动机中，即使氢含量低至1.6%，也能实现稳定运行。Wang等人[18]研究了点火时机、H₂喷射和过量空气比的联合效应，确定了最佳指示热效率（ITE）为上止点前-12°CA，并在有限的当量比范围内实现了稳定运行。Rousselle等人[19]观察到预燃室点火显著缩短了燃烧时间，而Cui等人[20]强调了喷射流穿透与缸内流动之间的协同作用，有助于增强火焰传播并减少未燃烧NH₃的排放。Chen等人[21]发现，预燃室中的氧气富集提供了更多的O和OH自由基，而氢的富集则产生了更多的H自由基。Liu等人[22]进一步报告称，喷射流对壁面的冲击显著增强了湍流强度并加速了火焰传播。

尽管取得了这些进展，但在主动预燃室条件下实现稳定氨燃烧所需的最低氢含量尚未得到充分量化，且实际的喷射点火和火焰发展过程在真实发动机环境中尚未完全阐明。本研究的目的是阐明在超低氢条件下主动预燃室氨发动机中的氢辅助燃烧现象。研究目标包括：（1）量化氢混合比例和喷射时机对不同当量比下燃烧和排放特性的影响；（2）确定稳定氨燃烧所需的最低氢含量；（3）可视化预燃室喷射点火和主燃烧室中的后续火焰发展。这些结果为点火控制的燃烧机制提供了新的实验见解，并为设计低碳氨-氢发动机提供了指导。

章节摘录

光学发动机配置

实验使用了一台四冲程单缸光学发动机，其示意图如图1所示。该发动机的气缸直径为88毫米，行程为105毫米，连杆长度为185毫米，压缩比为13:1。采用五顶燃烧室，并结合高涡流进气口，以产生强烈的缸内涡流型混合气运动。为了便于光学诊断，在...

不同当量比下氢混合比例和喷射时机的影响

图4(a)显示，指示的平均有效压力（IMEP）随着当量比增加到φ = 0.9而增加，超过这一点后则下降。在贫燃条件下，燃烧受到氨在主燃烧室（MC）中低火焰速度的限制；而在富燃条件下，预燃室（PC）中过量的燃料分数抑制了火焰传播并减少了能量释放[18]。实现稳定运行（COV < 5%）所需的最低氢含量（χ_H2）随着当量比的增加而降低，分别达到6.9%、4.7%、2.0%...

结论

本研究定量研究了主动预燃室氨燃料光学发动机的燃烧和排放特性，以确定最低氢混合需求。通过将热力学分析与高速火焰成像相结合，主要结论如下：

实现稳定氨氧化所需的最低氢能量分数随主燃烧室当量比的变化而非单调变化。在...

CRediT作者贡献声明

Hai Diao：监督，软件开发。Wei Li：验证，资金获取。Jiaying Pan：撰写——审稿与编辑，资金获取。Jinguang Li：撰写——初稿，概念构思。Minghao Zhu：正式分析，数据管理。Xingqian Mao：研究，资金获取

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系。

新颖性和重要性声明

本研究在超低氢能量比例下研究了主动预燃室发动机中的氢辅助点火，解决了在保持燃烧稳定性的同时最小化氢消耗的实际需求。与依赖大量氢富集的传统方法不同，本研究表明，在低至2.0-3.0%的氢能量比例下也能实现稳定的点火和高效的燃烧。通过结合缸内压力分析和光学...

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了天津市自然科学基金（编号：25JCJQJC00360）、泰山产业专家计划以及国家自然科学基金（编号：52506163）的支持。