关于在氨/柴油双燃料直喷发动机中通过SNCR技术减少缸内NOx的氨后喷射策略的研究

《Journal of the Energy Institute》：Research on the ammonia post-injection strategy for in-cylinder NO x abatement via SNCR in an ammonia/diesel dual-fuel direct-injection engine

　　摘要：本研究建立了一种氨/柴油双燃料直喷引擎的数值模拟模型，旨在通过氨后喷射策略引发选择性非催化还原反应，以此探究降低缸内氮氧化物排放的效果。研究分析了在高预混燃烧条件下，氨后喷射时机以及氨注入能量比例对燃烧特性和排放性能的影响。结果表明，延迟氨后喷射时机会降低指示热效率，而增加氨注入能量比例则会进一步加剧这一下降趋势，最大降幅可达2.4%。随着氨注入能量比例的增加，氮氧化物排放量有所下降。当氨后喷射时机为60°CA、氨注入能量比例为3%时，一氧化氮和二氧化氮的减排效果最为显著，分别可降低97.73%和82.76%，但与此同时一氧化二氮和未燃氨的排放量却显著上升；当氨后喷射时机提前至40°CA时，未燃氨的减排效果减弱，氮氧化物排放的降低幅度也会减小，而一氧化二氮和未燃氨的排放量则基本保持不变。

引言：由于氨的自燃温度较高且层流火焰传播速度较慢，开发纯氨引擎存在技术瓶颈[1]。为改善其燃烧性能，目前的研究通常采用将氨与高活性燃料（如氢气[2]、甲烷[3]、二甲醚[4]、柴油[5]）混合燃烧的技术策略[6]，其中氨/柴油双燃料引擎已成为研究热点[7]。不过，氨本身含有氮原子，在燃烧过程中容易产生氮氧化物等含氮污染物[8][9]，因此许多研究者围绕氨/柴油双燃料引擎开展了减少含氮污染物排放的相关研究。Nadimi等人[10]研究了氨能量替代率对氨/柴油双燃料压燃式引擎整体性能及排放的影响，发现用氨替代柴油后，含碳污染物的排放显著降低，而二氧化氮、一氧化二氮和未燃氨的排放则有所增加；当氨能量替代率低于47.4%时，能够有效抑制一氧化氮的排放，该研究还指出，当氨能量替代率达到84.2%时，引擎的运行状态会变得不稳定。Liu等人[11]研究了不同氨能量替代率及柴油喷射参数对低负荷状态下氨/柴油双燃料引擎燃烧稳定性及温室气体排放特性的影响，结果表明，随着氨能量替代率的提高，氮氧化物、烟尘和二氧化碳的排放显著降低，但未燃氨和一氧化二氮的排放却明显上升；当氨能量替代率为60%时，缸内燃烧状况急剧恶化，喷射时机从上止点前4°CA提前到上止点前12°CA，未燃氨的排放量减少了57.6%，而一氧化二氮的排放量则增加了19.9%。Niki等人[12]通过实验研究了不同负荷条件下不同氨能量替代率下引擎的运行特性，发现随着氨能量替代率的逐渐提高，引擎的热效率略有下降，未燃氨和一氧化二氮的排放量持续上升，同时实验也表明，在高负荷条件下未燃氨的排放能够得到有效控制。由于氨供应系统的限制，实验中能够实现的最高氨能量替代率仅为30%。Liu等人[13]发现，用氨替代柴油后，二氧化碳和烟尘的排放量有所降低，但随着氨能量替代率的提高，一氧化碳和总碳氢化合物的排放量则上升，此外，预混气体中的氨浓度增加，更多氨会在火焰无法到达的区域积聚，从而导致氨滑移现象加剧，而且膨胀冲程后期大量氨未能完全氧化，也进一步增加了氧化亚氮的排放量。由于高压液态氨不易挥发，实验中能够实现的最高氨能量替代率仅为51%。Wang等人[14]研究了柴油后喷射策略对氨/柴油双燃料直喷引擎燃烧特性及排放的影响，发现引入氨虽然能大幅降低氮氧化物排放，但会增加一氧化碳和未燃氨的排放，而柴油后喷射策略则有助于促进氨的更充分预混燃烧，有效抑制氨滑移现象，进而降低一氧化碳和氧化亚氮的排放。此外，经过优化的策略能够在保持甚至提升引擎功率性能的同时，显著降低未燃氨和一氧化碳的排放，仅会使氮氧化物的生成量略有增加。Li等人[15]对氨/柴油双燃料引擎的低压喷射和高压喷射双燃料模式进行了对比研究，发现低压喷射双燃料模式下，温室气体减排效果较弱，且未燃氨的排放量显著增加，而高压喷射双燃料模式则能大幅降低温室气体和氮氧化物的排放，仅会使未燃氨的排放量略有上升。MI等人[16]在低负荷和高氨能量替代率条件下优化了氨/柴油双燃料直喷引擎的燃烧过程，他们的研究显示，低负荷下提高氨能量替代率会导致燃烧不充分，进而增加未燃氨和氧化亚氮的排放，而通过氨后喷射可以降低氨、一氧化碳和氧化亚氮的排放，但与此同时氮氧化物的生成量会加剧。此外，在氨能量替代率为60%的条件下，通过增加进气加热处理，可使未燃氨的排放量减少约70%。Zhang等人[17]发现，氨直接喷射能够促进柴油的雾化和蒸发，显著抑制烟尘和一氧化碳的排放，通过延迟喷射时机或延长整体燃烧时间，也可以调控氮氧化物的排放量。SNCR技术通过在适宜温度下注入含有氨基或氰基的选择性还原剂，能够快速且选择性地将氮氧化物还原为氮气[18][19]，在适宜的温度范围内该反应能够高效进行，温度过高时还原剂本身会被氧化为一氧化氮，从而削弱脱硝效果；温度过低时还原反应速率过慢，会导致氨滑移现象[20]。目前，将SNCR技术应用于引擎的研究相对较少。Nam等人[21]研究了柴油引擎运行过程中的基于SNCR的氮氧化物减排方法，发现当还原剂与氮氧化物的标准化化学计量比为1.5到4.0时，氮氧化物排放量可降低40% - 60%，尿素作为还原剂的脱硝效果优于氨，但使用尿素作为还原剂会会产生大量氧化亚氮，而氨作为还原剂产生的氧化亚氮排放量则相对较少。Wang等人[22]研究了SNCR反应对氨/柴油双燃料直喷引擎性能的影响，发现在高氨能量替代率条件下，通过在引擎缸内进行高压直喷，能够显著降低氮氧化物排放，当缸内温度降至1500K时，大部分氮氧化物都能被降低，这种减排效果主要得益于氨分解产生的氨基自由基、亚胺基自由基等其他自由基，这些自由基能够有效降低氮氧化物中的主要成分一氧化氮，同时随着氨能量替代率的提高，二氧化碳的排放量还会进一步降低；一氧化氮主要在高温区域生成，而二氧化氮和氧化亚氮大多在低温区域生成，且二氧化氮对环境温度变化的敏感度更高。He等人[23]提出了一种基于氨溶液直喷控制内燃机氮氧化物排放的方法，与单纯注入水相比，提高氨溶液中的氨浓度，能使氮氧化物排放量显著降低，最大降幅可达65.1%，同时引擎缸体的峰值压力损失也较小，他们还发现，优化直喷阶段有助于提升氮氧化物减排效果，同时减少氨的氧化和滑移现象。Yang等人[24]也采用了SNCR技术来实现氮氧化物减排，他们研究了低预混燃烧条件下氨后喷射策略对引擎排放的影响，结果表明，当氨后喷射的能量比例为20% - 30%，并且结合适宜的喷射时机时，能够获得理想的减排效果。

总结：与进气口预混氨供应方式相比，缸内直接氨喷射在控制氨滑移现象和氮氧化物排放方面具有明显优势[15]，还能避免因氨在进气口处沉积而导致燃料流失的问题。SNCR技术则是依靠缸内燃烧环境来降低氮氧化物排放的。目前，还没有关于在高预混燃烧条件下通过氨后喷射策略实现基于SNCR的氮氧化物减排的研究，为填补这一空白，本研究通过数值模拟建立了氨/柴油双燃料直喷引擎的模型，构建了高预混燃烧条件，重点研究了不同氨注入能量比例（1%、2%和3%）的情况，并将氨后喷射时机范围扩大到40°CA - 70°CA，旨在通过氨后喷射引发缸内SNCR反应来实现氮氧化物减排，同时探究氨后喷射策略对氨/柴油双燃料直喷引擎燃烧特性和排放性能的影响，为实现引擎的清洁燃烧提供有益参考。

数值模型部分：本部分建立了该引擎的数值模拟模型，并对模型的网格独立性和精度进行了验证，为后续研究提供了可靠的模型基础。在本研究中，0°CA曲轴角度表示活塞压缩上止点，曲轴角度的负值表示上止点之前的时段，正值则表示上止点之后的时段。

结果与讨论部分：本部分研究了氨后喷射策略对氨/柴油双燃料直喷引擎燃烧特性和排放性能的影响。

结论部分：本研究通过数值模拟，研究了高预混燃烧条件下氨后喷射策略对氨/柴油双燃料直喷引擎燃烧特性和排放性能的影响，分析了氮氧化物、氧化亚氮、氨以及活性自由基的变化规律，主要结论如下：(1)在氨后喷射策略中，仅注入少量氨，因此氨燃烧释放的能量……

作者贡献声明：Yue Yu：写作——审阅与编辑、可视化；Sunchu Wu：写作——审阅与编辑、可视化；Xianglong Li：写作——审阅与编辑、可视化；Yunge Zhao：写作——审阅与编辑、可视化；Xingce Cao：写作——审阅与编辑、可视化；Lianfeng Lai：写作——审阅与编辑、可视化；Jianbing Gao：可视化、验证、资源准备、项目管理、方法设计、研究实施、正式分析；Xueyang Jia：写作——审阅与编辑。

数据可用性声明：本研究的所有原创成果均包含在论文中，如有进一步疑问，可联系相应作者。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了以下机构的支持：(1)中国国家自然科学基金（52306128）；(2)河北省自然科学基金（E2025105010）；(3)河北省科技计划项目（236Z4001G）；(4)宁德师范学院的资金支持（2026Y08）。

作者名单：Shikai Xing|Xueyang Jia|Jianbing Gao|Lianfeng Lai|Xingce Cao|Yunge Zhao|Xianglong Li|Sunchu Wu|Yue Yu
所在机构：中国河北石家庄市050024，河北师范大学职业技术学院