利用光学诊断研究氨氢火花点火发动机中的爆震边界与早燃行为

《Energy》：Investigating knocking boundaries and pre-ignition behavior in an ammonia–hydrogen spark-ignition engine using optical diagnostics

　　

摘要

氨氢混合燃料火花点火燃烧是内燃机一条潜在的无碳路线；然而，富氢可以在增强氨燃烧的同时，增加异常燃烧（包括爆震和早燃）的发生概率。本研究在一台单缸光学火花点火发动机中，将同步高速火焰成像与缸内压力测量相结合，考察了氨氢混合燃料在宽范围当量比（φ）、氢气能量分数（χ）和点火时刻下的爆震特征和燃烧模式边界。结果表明，较高的φ和χ会使爆震提前出现，增大压力振荡的最大幅值，并降低爆震相位的循环间波动性。在φ = 1.0且χ = 70%时，爆震循环占采样循环的80%。光学诊断显示，混合气反应性的增强加速了从火花点火火焰传播向包含主火焰传播和末端气体自燃的燃烧模式的转变。代表性的早燃事件表明，爆震响应对手燃时机和空间分布敏感。极早早燃可以通过提前消耗反应性混合气来抑制压力振荡，而较晚的单点早燃则可以加剧末端气体压缩并触发严重的压力振荡。适量的氢添加扩展了稳定燃烧范围，而过度的富氢则缩小了无爆震运行窗口，尤其在较高φ时更为明显。这些发现为氨氢火花点火发动机的异常燃烧控制提供了边界指导。

节选片段

新颖性与重要性声明

本研究考察了氨氢火花点火发动机中的一个关键权衡：富氢可以改善氨燃烧稳定性，但同时也可能促进爆震和早燃。通过将同步高速火焰成像与缸内压力诊断相结合，本研究提供了关于当量比、氢气能量分数和点火时刻如何决定从失火向稳定燃烧和爆震转变的直接光学证据。结果显示

光学发动机系统

实验采用了一台单缸四气门光学火花点火发动机，以研究氨氢混合燃料的发动机性能、燃烧演变和爆震特征。实验系统示意图见图1，主要发动机规格列于表1。发动机缸径为88 mm，行程为105 mm，连杆长度为185 mm，排量为640 cm³，压缩比为13:1。采用平顶活塞以简化光学解释并最小化

氢气能量分数和当量比对爆震特征的影响

当量比φ和氢气能量分数χ决定了混合气的反应性、放热强度和未燃末端气体的热力学状态。为阐明其对爆震特征的影响，在固定点火时刻（上止点后?15°曲轴转角）下进行了基于压力的燃烧分析。选取了两组代表性的参数扫描：在φ = 0.6时，χ分别为60%、70%和80%；在χ = 70%时，φ分别为0.6、0.8和1.0。每个条件下连续50个循环对应的压力曲线

结论

本研究考察了爆震特征、早燃效应和燃烧模式边界。通过同步高速火焰成像和缸内压力诊断，将压力振荡与火焰传播、局部末端气体自燃以及代表性早燃事件关联起来。

提高当量比和氢气能量分数会通过增加混合气反应性和末端气体能量密度来加剧爆震倾向。这两个参数都提前

CRediT作者贡献声明

Minghao Zhu（朱明浩）：撰写原稿、数据整理。Jiaying Pan（潘佳莹）：撰写审阅与编辑、资金获取、形式化分析。Xingqian Mao（毛兴谦）：撰写审阅与编辑。Jinguang Li（李金广）：方法学、数据整理。Haiqiao Wei（魏海桥）：资金获取。Fan Li（李凡）：监督、软件

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所述工作的已知财务利益冲突或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们不存在可能影响本文所述工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了天津市自然科学基金项目的支持（项目编号：25JCJQJC00360）。

Minghao Zhu（朱明浩）|Jinguang Li（李金广）|Fan Li（李凡）|Haiqiao Wei（魏海桥）|Xingqian Mao（毛兴谦）|Jiaying Pan（潘佳莹）

天津大学 内燃机国家重点实验室，中国 天津 300072