纯氨燃料被动预燃室发动机的低中负荷性能与排放

《Applications in Energy and Combustion Science》：Low- and Mid-Load Performance and Emissions from a Pure Ammonia-Fueled Passive Pre-Chamber Engine

　　

本研究通过实验和数值模拟方法，调查了纯氨（NH₃）在内燃机（ICE）中的被动预燃室燃烧情况。研究目标是探索在低负荷和中等负荷条件下，预燃室几何形状如何改善氨的燃烧特性，包括其低火焰传播速度和低反应活性。结果表明，在1200和1800 RPM（每分钟转速）下，采用合适的预燃室几何形状可以在25%相对指示负荷（接近怠速）时实现非常稳定的燃烧（CoV_IMEPg < 1%）。研究显示，孔径为1.1 mm的8孔喷嘴（A/V比为2.4）对于1200 RPM下的低负荷而言过小，并表现出两种独立的失稳机制。不良的预燃室换气导致了射流强度和正时的变化，其变动率几乎是其他配置的两倍。此外，1.1 mm喷嘴还在主燃烧室中产生了湍流射流淬熄效应，导致再点火稳定性差。数值结果证实，与1.6 mm喷嘴（Karlovitz数为178.6）相比，使用1.1 mm喷嘴时主燃烧室中高度湍流的增厚火焰模式更为显著，其平均Karlovitz数达到320.4。在1800 RPM下，1.6 mm直径的8孔喷嘴不再稳定，但仅产生了与湍流射流淬熄相关的不稳定性。结果证明，在选择预燃室配置时必须同时考虑孔径和A/V比，并且尺寸合适的喷嘴几何形状可以实现低负荷运行。

氨（NH₃）作为一种潜在的内燃机（ICE）替代燃料，在海上运输和可再生能源发电领域引起了广泛关注。非碳燃料如氢气（H₂）和NH₃对于全球脱碳具有重要意义。然而，纯NH₃在发动机应用中面临极低火焰传播速度、高点火能量需求、窄可燃极限以及高汽化潜热等挑战。此外，其不完全燃烧和阀门重叠引起的燃料泄漏会造成环境和健康风险。为改善纯NH₃燃烧性能，研究人员引入了主动和被动预燃室燃烧技术。以往研究多集中于主动预燃室或掺氢策略，增加了系统复杂性；而被动预燃室通过压缩过程中的气体交换充气，结构更简单。然而，目前文献中关于预燃室几何形状对纯NH₃燃烧放热率和排放（特别是低负荷条件下）的详细分析较为缺乏。基于此，研究人员开展了相关实验与数值模拟研究。该论文发表在《Applications in Energy and Combustion Science》上，其重要意义在于证明了被动预燃室结构能够实现纯氨燃料在中型发动机低负荷条件下的稳定高效燃烧，为未来无氢辅燃的纯氨发动机研发提供了几何设计指导。

在关键技术方法方面，研究团队将一台Cummins ISB 6.7L中型直列六缸发动机改装为单缸配置（停用其余四缸）进行实验。通过直接金属激光烧结（DMLS）加工了不同容积的预燃室，并设计可拆卸喷嘴以测试不同的孔数和直径组合。在1200和1800 RPM转速及25%和75%负荷下运行，采集高分辨率缸内压力并计算表观放热率（AHRR）。利用基于OpenFOAM的LibICE库进行三维计算流体力学（CFD）模拟，采用火焰面积演化（FAE）模型描述湍流燃烧，并使用详尽动力学机制预处理层流火焰特性。结合Borghi-Peters图和达姆科勒数（Da）分布评估湍流火焰模式。

在循环平均结果方面，通过测试不同喷嘴和预燃室配置发现，被动预燃室燃用纯NH₃显著提高了热效率并拓宽了稳定运行范围。在接近怠速的25%低负荷下，合适的配置实现了低于1%的指示平均有效压力变动率（CoV_IMEPg），优于传统点火（SI）方式。小体积预燃室在燃油消耗和运行一致性上优于大体积预燃室。喷嘴孔数增加和孔径减小能缩短燃烧持续期，但过小孔径会引发不稳定。

在恒定孔数低负荷结果方面，针对1.1 mm喷嘴在1200 RPM下的失稳分析揭示了两种独立机制。首先，喷嘴过小导致气体交换不良，使预燃室内滞留残余废气增多，点火延迟期变长且变动增加（标准差达2.3°）。其次，主燃烧室再点火极度不稳定，这并非由射流迟缓引起，而是因小A/V比导致的湍流射流淬熄（过度混合）效应，使反应难以自持。

在恒定A/V比低负荷结果方面，在1800 RPM下测试恒定A/V比配置显示，8孔1.6 mm喷嘴在此工况下失稳。结合数值模拟，其主燃烧室湍流强度远高于稳定配置。这证实了仅湍流射流淬熄即可引发失稳，且该机制与预燃室气体交换不良导致的失稳相互独立。

在恒定A/V比中负荷结果方面，在75%负荷下各配置表现出极高的稳定性，CoV_IMEPg低至0.4-0.6%。较高的混合物反应活性消除了低负荷时观察到的湍流淬熄现象。增加喷嘴孔数可缩短燃烧持续期，总体运行差异极小。

在燃烧不稳定性的计算评估方面，数值模拟进一步支持了实验结论。相对于1.6 mm喷嘴，1.1 mm喷嘴因提前点火导致更多内部残余废气，使主燃烧室处于增厚甚至破裂反应区模式的比例显著增加。1.1 mm条件下的平均Karlovitz数高达320.4，出口处达姆科勒数分布偏低，表明局部化学反应速率不及湍流混合速率，极易引发局部熄火，导致再点火困难。

在排放结果方面，由于在化学当量比Φ = 1.025±0.01下运行，各配置的NO排放恒定约500 ppm。未燃NH₃排放对喷嘴配置敏感，A/V比降低或使用大体积预燃室会略微增加未燃氨排放。N₂O排放的波动与喷嘴配置无显著关联，其浓度较低，深刻受控于燃烧室间隙和淬熄区域设计。

在研究结论方面，实验和数值研究调查了改装为纯氨被动预燃室燃烧的中型发动机。重点关注低负荷条件，得出以下主要结论：预燃室燃烧能在与发电机相关的关键转速下，实现纯氨空气混合物的稳定高效燃烧，包括低负荷工况。低负荷不稳定现象可归因于两个独立机制：一是小孔径喷嘴换气不良导致的预燃室点火延迟不稳定；二是主燃烧室过度混合引发的湍流射流淬熄。最大的实用价值和意义在于，该研究证明被动预燃室能在低负荷下稳定高效燃烧纯NH₃，这一工况此前常被认为必须添加H₂。该系统避免了其他复杂燃烧系统的增量结构，结果表明只要合理设计喷嘴尺寸和A/V比，该技术将具有无需柴油机尾气处理液（DEF）的选择性催化还原（SCR）系统的潜力，可作为一种低维护的后处理方案有效降低尾气排放。撰文作者为Alex Voris、Alessandro Nodi、Lorenzo Sforza和William F. Northrop，研究单位为美国University of Minnesota。