一种由高压氢射流点火实现的新型氨燃烧概念：点火、火焰演化与排放特征

《Energy》：A novel ammonia combustion concept enabled by high-pressure hydrogen jet ignition: Ignition, flame evolution, and emission characteristics

　　

•高压氢气射流点火可实现稳定的氨燃烧。
•点火时机和位置控制火焰稳定性和放热。
•更高的氢气压强增强了湍流和燃烧完全性。
•氨当量比决定了点火、效率和排放。
•在 99.3% 的氨能量占比下，燃烧效率达到 96%。

引言
作为一种无碳能源载体和氢储存介质，氨已成为内燃机（ICEs）的竞争性替代燃料，有助于实现碳中和目标。氨可以在 293 K 和 0.857 MPa 的压力下液化，在储存和运输方面具有显著优势。同时，现有的基础设施和可扩展的生产途径使氨成为大规模能量储存和使用的实际可行方案 [1]。目前，氨燃料内燃机主要分为两条技术路线，即低压预混氨燃烧和高压直喷（HPDI）液态氨燃烧。两种技术路线都有独特的应用优点和发展潜力。高压直喷模式在减少未燃氨和氮氧化物（NOx）排放方面显示出潜力 [2]，但它对氨喷射器和泵提出了严格的技术要求。该方案的工程成熟度仍需进一步提高。低压预混模式对传统发动机的结构修改要求最小，有效降低了改造和应用成本。

与氢和甲烷等燃料相比，氨表现出狭窄的燃烧范围（当量比（?）为 0.63-1.4）[3]，低火焰传播速度（在大气压、初始温度 360 K 和化学计量条件下约为 8 cm/s）[4]，以及高自燃温度（在 40 bar 下约为 1060 K）[5]。考虑到氨的点火和燃烧特性较差，因此需要具有高化学反应活性的辅助点火燃料来加强氨的点火和燃烧过程。目前，柴油先导点火是预混氨发动机的主流技术方案。当氨能量占比超过 90% 时，可以保持稳定的燃烧 [6]、[7]，并且可以采用多种喷射策略来优化燃烧和排放性能 [8]。然而，柴油是含碳化石燃料，无法实现氨发动机的零碳排放。同时，双燃料储存系统增加了发动机的结构复杂性和运行成本。作为另一种无碳清洁燃料，氢具有高反应活性，适合作为氨的辅助点火燃料。值得注意的是，氢可以通过车载氨重整获得 [9]、[10]，消除了对额外氢储存设备的需求。氢和氨的耦合燃烧已成为绿色发电的一项有前途的技术，相关的燃烧机理和技术优化方法引起了广泛的全球研究关注。

目前，关于氢辅助氨内燃机的研究主要集中在两种技术配置上：火花点火氨 - 氢发动机 [11]、[12] 和氢射流点火氨发动机 [13]、[14]、[15]。对于火花点火氨 - 氢发动机，氨和氢在气缸中预混并由火花放电点燃。然而，氢添加量不足通常会导致点火失败和循环燃烧波动增加。Huang 等人 [16] 发现，在化学计量条件下，当氨能量分数达到 60% 时，指示平均有效压力的变异系数超过 6%。点火过程是影响循环波动的关键因素 [17]，这意味着通常需要较高的氢混合比来保证火花点火氨发动机的稳定点火，这限制了其实际应用。就氢气湍流射流点火（HTJI）技术而言，通常应用主动预燃室来产生高温湍流射流。主动预燃室配备了氢气进气装置和火花塞。在压缩冲程期间，氢被注入预燃室并由火花塞点燃。随后，高温湍流射流从预燃室孔口产生，点燃预混氨 - 空气混合物或 HPDI 氨。预燃室和主室之间的压力差为射流形成提供驱动力。根据我们在定容燃烧装置（CVCV）中的先前实验结果，当预燃室充满化学计量氢 - 空气混合物时，最大压力差可达 6.0 MPa [18]。HTJI 技术可以有效解决氨燃料内燃机的点火挑战。然而，其点火和燃烧性能高度依赖于预燃室结构参数，如腔体体积、孔口直径和孔口数量 [19]、[20]、[21]。预燃室射流点火的点火机理可分为射流点火和火焰点火 [22]。前者由高温燃烧产物主导，没有活跃的火焰结构，而后者包含湍流皱褶火焰和大量活跃自由基。对于氨的 HTJI，Li 等人 [23] 揭示射流点火容易发生失火事件，而火焰点火表现出稳定的燃烧性能，具有快速的早期放热和缓慢的晚期放热。两种点火模式之间的转换与孔口直径 [24]、氢气数量 [23] 等密切相关。然而，主动预燃室的射流点火机理复杂，对于不同缸径尺寸的发动机需要进行定制的参数匹配。此外，与高压直喷形成的点火方式不同，传统预燃室结构无法实现多次点火事件，限制了燃烧策略调整的灵活性。

为了突破主动预燃室 HTJI 的技术限制，本研究提出了一种用于氨燃烧的新型高压氢气射流（HPHJ）火焰点火方案。如图 1 所示，高压氢气在上止点附近直接注入气缸，并由火花放电点燃，形成稳定的连续氢火焰。产生的高活性氢火焰可以有效触发预混氨 - 空气混合物或 HPDI 氨燃料的稳定燃烧。值得注意的是，氢可以通过车载氨重整生产，从而实现零碳燃料供应。本提出的 HPHJ 点火模式对氨发动机的优势总结如下：
•避免冷启动点火困难。与预燃室点火相比（其中高压氢气直接注入主燃烧室并由火花塞点燃），HPHJ 模式避免了由于预燃室壁面热损失导致的冷启动点火困难。
•早期氢预喷射。考虑到向氨中添加氢可以显著增加火焰传播速度，减少未燃氨 [25]，并改善燃烧稳定性 [26]，可以在压缩冲程早期通过高压喷射将氢引入气缸，与氨混合，增强氨燃烧特性。因此，与预燃室点火相比，HPHJ 模式便于在压缩冲程期间早期将氢引入气缸，从而增强氨燃烧。
•多脉冲点火。与难以实现像柴油先导点火那样的多次点火的预燃室点火模式不同，高压氢喷射支持多次喷射和点火，实现多样化且灵活的燃烧控制策略。
•层化燃烧。可以使用高反应活性氢来增强稀薄氨混合物的点火，从而建立层化燃烧。Liang 等人 [27] 指出，氢诱导的反应性层化显著改善了氨 - 空气混合物的火焰传播能力。此外，即使火焰传播到纯低反应性混合物时，火焰增强效果也能保持，这被称为火焰记忆效应。这种现象主要归因于由氢和活跃自由基触发的氨分解，为优化提出的氢射流点火方案提供了理论支持。

需要注意的是，这些优势目前是根据所提出的 HPHJ 概念的结构和操作特征推断出来的，而与传统预燃室系统的直接定量比较仍需在未来的发动机水平研究中进行。

目前，关于用于氨燃烧的 HPHJ 点火的研究仍处于初始阶段，相关的实验数据和机理分析不足。Gueritz 等人 [28] 使用计算流体力学方法研究了 122 毫米缸径发动机上由 HPHJ 火焰点火的预混氨燃烧，氢喷射压力范围为 5.0 MPa 至 14.0 MPa。仿真结果表明，当氢体积分数占总燃料的 40% 时，未燃氨排放可以几乎消除。本研究验证了 HPHJ 点火的技术可行性，但未完全探索可变运行参数下的燃烧特性和灵活燃烧策略的优化机理。为后续的氨燃烧测试奠定基础，我们的研究小组调查了纯空气中 HPHJ 的射流流动特性和火花点火性能 [29]。亟需研究由 HPHJ 点火的氨燃烧特性。

如上所述，提出的 HPHJ 火焰点火技术兼容预混和直喷氨燃烧模式，具有令人前景的应用前景。本工作侧重于预混氨燃烧，并进行有针对性的光学实验研究，以解决氨燃料的可燃性差和火焰传播速度低的问题。在本工作中，为了阐明 HPHJ 与预混氨燃烧之间的耦合机理，在 CVCV 中进行了光学实验。在 1.0 MPa 和 423 K 的固定环境条件下进行了全面的光学测试，涵盖了关键运行参数，包括 3.0-9.0 MPa 的氢喷射压力、0-1.0 的氨当量比、恒定的 3.0 ms 氢喷射持续时间、氢喷射期间和之后的两个典型点火时机，以及喷嘴周围六个轴向和径向点火位置。依靠高速阴影成像和排气检测方法，本研究系统地探讨了 HPHJ 多个运行参数对氨燃烧的耦合效应。本文结构如下。在引言之后，简要描述了实验装置、测试条件和数据处理方法。然后，全面调查了氢喷射压力、氨当量比、点火时机和点火位置对氨燃烧和排放特性的影响。此外，阐明了多参数之间的耦合相互作用和协同优化机理。最后，总结了主要发现，并提供了相应的工程优化指导。本研究旨在为在零碳预混氨发动机中实施 HPHJ 点火技术提供基础实验数据和理论支持。

章节片段
实验装置
实验装置和相应的高速成像系统如图 2 所示。点火和燃烧实验在配备直径 100 mm 光学窗口的 CVCV 中进行。使用单孔氢喷射器（孔口直径 1.16 mm）产生 HPHJ。采用自设计的双针相对火花塞点燃 HPHJ。通过调整火花塞针的长度和形状，可以在氢中调整点火位置。

HPHJ 点火的预混氨点火特性
实验条件和相应的点火结果总结于图 4 中。标记为绿色的运行条件重复了三次，主要用于燃烧特性的定量比较。具体来说，主要在氨当量比为 0.5 时定量评估氢喷射压力的影响，而主要在氢喷射压力为 9.0 MPa 时调查氨当量比的影响。该

总结与结论
本研究提出了一种基于 HPHJ 点火的新型零碳氨燃烧概念，以克服氨的可燃性差和火焰传播速度低的问题。在 CVCV 中进行了光学实验，以调查氢喷射压力、氨当量比、点火时机和点火位置对点火稳定性、火焰演化、放热、燃烧效率和排放的影响。主要结论如下：
•稳定且高效的燃烧
CRediT 作者贡献声明
Tie Li：监督，资金获取，概念化。
Xinran Wang：写作 – 审查与编辑，验证。
Fengnian Zhao：验证，调查。
Ping Yi：写作 – 审查与编辑，验证，调查。
Run Chen：写作 – 审查与编辑，监督，资金获取。
Shiyan Li：写作 – 审查与编辑，资金获取，数据管理。
Huimin Yang：写作 – 审查与编辑，调查。
Weizhen Huang：监督，调查。

黄帅：写作—审阅与编辑。利益冲突声明? 作者声明，他们没有已知的影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。致谢 本工作得到了国家自然科学基金委（52571356、52306156、52571355）、教育部基础学科与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM209）、国家自然科学基金委海运创新联合基金重点项目（U2572206）、上海市科技创新行动计划自然科学基金（24ZR1432300）以及数字仿真平台研究项目的资助。黄帅 | 黄维震 | 杨惠敏 | 李世炎 | 陈润 | 易萍 | 赵凤年 | 王欣然 | 李铁