对湍流射流速度和预燃室中反应性对氨燃烧影响的深入研究

《Combustion and Flame》：Fundamental investigation of the effects of turbulent jet velocity and reactivity in the pre-chamber on ammonia combustion

富氨燃烧通过预燃室湍流喷射点火技术扩展富极限至Φ=1.8。研究揭示了反应可控预燃室（RCTJI）模式下氢气喷射调控混合物反应性，结合喷嘴直径调节湍流喷射速度，实现热喷射点火与火焰传播的协同作用。不同PC模式（反应可控/清扫/被动）对主燃烧室火焰结构及燃烧稳定性的影响机理得以阐明，发现高速湍流喷射可增强火焰强度并扩展富极限边界，而低反应性混合物或大喷嘴直径会抑制喷射效应导致点火模式转变。该成果为氨发动机燃烧稳定性提升与排放控制提供理论支撑。

　　

刘宗宽|钟丽佳|赵万辉|魏海桥|杨文明|舒格群|周雷

天津大学发动机国家重点实验室，中国天津，300072

摘要

预燃室（PC）湍流喷射点火（TJI）为氨燃烧中难以点火和火焰传播缓慢的问题提供了一种有效的解决方案。本研究深入探讨了在TJI模式下氨/空气混合物的点火和燃烧特性。通过自设计的预燃室并配备扫气系统，实现了一种可控反应性的TJI（RCTJI）模式，该模式支持三种操作模式：可控反应性PC、扫气PC和被动PC。通过调节氢气和空气的喷射量来控制PC混合物的反应性，从而实现可控反应性PC。研究了不同的PC操作模式和PC喷嘴直径（d_noz），以阐明氨/空气混合物的点火机制，并揭示TJI方法在湍流热耗散存在的情况下对扩展富燃极限的影响。首先，分析了三种PC操作模式下氨的富燃极限和燃烧特性。随后，利用可控反应性PC通过调节PC混合物的反应性和d_noz来研究氨/空气混合物的富燃极限。结果表明，在可控反应性PC条件下会发生热喷射点火，这是由PC中氢气燃烧产生的高速湍流喷射引起的，从而导致主燃烧室（MC）中的强烈湍流火焰和燃烧速率的提高。相反，由于PC混合物的低反应性或d_noz的增加导致湍流喷射速度降低，从而使得热喷射点火转变为火焰点火，并观察到不同的燃烧模式，包括向外、向前、向后和正面碰撞传播的火焰。氨燃烧的富燃极限同时受到d_noz、PC混合物反应性和MC混合物浓度的影响。通过优化d_noz和PC混合物反应性，以达到降低湍流喷射速度和增强喷射强度的适当平衡，可以将氨燃烧的富燃极限扩展到Φ =1.8。

引言

零碳能源已成为内燃机（ICEs）不可或缺的替代品。在各种可行的选项中，氨是一种有前景的无碳能源载体，适用于广泛的应用领域[1]。然而，克服氨燃烧的固有挑战仍然很困难，包括其狭窄的燃限、低燃烧速率、较差的点火潜力和NOx排放[2]。因此，氨发动机容易出现点火困难、燃烧不稳定和性能下降[3]。为此，提高氨的点火稳定性和燃烧速率是应对这些挑战的关键策略。

预燃室（PC）湍流喷射点火（TJI）具有高速喷射火焰和多点点火的优势，显示出解决氨燃烧相关基本问题的巨大潜力[4,5]。这种方法通过引入高温燃烧产物和强烈的湍流来增强氨的点火和燃烧。在我们最近的研究[[6], [7], [8], [9]]中，提出了一种可控反应性TJI（RCTJI）的概念，该技术采用了一种新设计的具有扫气功能的可控反应性PC，对促进燃烧特性、扩展操作极限和减少排放具有重要意义。RCTJI模式是通过向PC中喷射燃料实现的，其中喷射量和PC燃料的反应性都是可调的。这些参数影响主燃烧室（MC）内的喷射性能和燃烧特性。然而，目前还没有直接可视化或基础研究来探讨RCTJI在氨燃烧中的应用，特别是关于湍流喷射速度和PC混合物反应性的影响。

人们已经付出了大量努力将氨整合到传统的火花点火（SI）和压缩点火（CI）发动机中[10,11]。液氨直喷（LDI）发动机在实现高容积效率和减少热传递损失方面显示出优势[12,13]，从而显示出改善氨发动机性能和功率回收的巨大潜力。然而，局部富氨燃烧往往以扩散燃烧模式进行，导致点火稳定性下降[7,14]。

此外，富氨燃烧还被用作减少SI氨发动机NOx排放的策略。最近的研究发现，富氨燃烧可以减少氨发动机的NOx排放，这主要归因于氨能够将NO物种还原为N₂和H₂O[15,16]。然而，在这种燃烧策略下，氨的泄漏是一个值得关注的问题，可能需要专门的设备来减少氨的排放。

对于采用富氨燃烧的发动机，选择一个气缸供应富氨/空气混合物[17]，类似的操作策略也应用于具有废气再循环（EGR）技术的发动机[18,19]。尽管在燃料富集的气缸中点火更加困难，但可以使用预燃室TJI技术来提高点火能量，从而减轻点火不稳定性，最终实现稳定和高效的燃烧。此外，多余的氨可以供给到车载氨裂解系统生成氢气，然后将其注入PC以增强喷射流和点火能量，或者直接供给到其他气缸。因此，可以在气缸内实现氨-氢混合燃烧，以克服氨燃烧特性的固有局限性。此外，任何剩余的氨可以回收到气缸中，从而提高燃料效率。因此，如图1所示，在氨-氢发动机中应用富氨燃烧策略旨在实现低NOx排放和高能源效率。根据先前的研究[8,17]，多余的氨也可以在气缸内分解为氢气，这种氢气可以引入其他气缸以增强燃烧并减少污染物形成。

总之，研究富氨燃烧对于氨发动机的发展具有重要意义，亟需解决的关键挑战是提高燃烧稳定性和扩展富燃极限。TJI策略可以用于LDI氨发动机，以解决富氨/空气混合物难以点火的问题。它也可以应用于氨-柴油混合动力船舶发动机中，替代引燃柴油，改善氨的燃烧特性并通过氨-氢转换实现零排放。

然而，很少有研究关注富氨/空气混合物的点火和燃烧特性，尤其是在TJI条件下的特性。此外，还需要阐明TJI影响氨燃烧富燃极限的深层机制。

因此，本研究的目的是首次揭示RCTJI燃烧模式下富氨/空气混合物点火和火焰传播的基本机制。通过使用可控反应性PC喷射氢气，实现了可控和增强的PC混合物反应性。研究了湍流喷射速度（由PC喷嘴直径调节）和PC混合物反应性对氨/空气混合物富燃极限的影响。此外，还揭示了在接近极限条件下湍流热耗散对喷射行为和燃烧特性的影响。这些发现为实现零碳氨燃料的稳定燃烧提供了宝贵的见解。

实验装置

实验使用自设计的恒容燃烧室（CVCC）进行，包括六个主要子系统：燃烧室、加热系统、进气和排气系统、点火系统、高速成像系统和TJI系统，如图2a所示。目前的Schlieren装置采用了传统的Z形布置。平行光从前窗进入燃烧室，并从后窗排出。

被动PC下的氨/空气富燃极限

在被动PC配置中，混合物浓度由MC中的混合物决定，因为PC内没有额外的燃料或空气喷射。如图4中的Schlieren图像所示，被动PC中的点火和燃烧产生一个喷射火焰，随后传播到MC并最终演变为湍流火焰。随着MC当量比Φ的增加，相应的PC当量比Φ_pc也随之增加。

结论

本研究在TJI燃烧模式下研究了氨/空气混合物的燃烧特性和富燃极限。通过优化湍流喷射速度和PC混合物反应性，扩展了氨/空气的富燃极限。主要结论总结如下：

(1)

在可控反应性PC条件下会发生热喷射点火，而在被动和扫气PC配置下观察到火焰点火。通过使用

创新性和重要性声明

氨是一种有前景的无碳能源载体，适用于广泛的应用领域。虽然富氨燃烧可以实现低NOx排放，但它会进一步降低点火和燃烧稳定性。本研究通过采用自设计的可控反应性湍流喷射点火（RCTJI）系统，揭示了富氨燃烧中点火和火焰传播的潜在机制，探讨了湍流喷射速度和预燃室混合物反应性的影响

CRediT作者贡献声明

刘宗宽：软件开发、概念构思。钟丽佳：软件开发、概念构思。赵万辉：可视化处理、形式分析、概念构思。魏海桥：项目管理、资金筹集。杨文明：写作-审稿与编辑、验证。舒格群：资源准备、概念构思。周雷：验证、资金筹集、概念构思。