缸内注水对氨-氢燃料发动机自动怠速调节（ANR）的影响

氨燃料发动机通过预燃烧室氢喷射点火与缸内水喷射协同作用优化排放与效率，研究表明在-150°CA水喷射时机下，当空燃比0.8-1.0且水喷射量3.75-5.0mg时，ANR值可达1.0-1.4并控制NO和N2O排放，同时维持热效率超48%。

　　

上全博|邓军|季萌|黄毅|李立光

同济大学汽车学院，中国上海201804

摘要

氨作为一种强大的氢能源载体和无碳燃料，是内燃机的理想替代燃料。本研究选择了一种带有氢预燃室喷射点火系统的单缸发动机，通过进气歧管注入氨并在预燃室直接喷射氢气进行点火，同时结合了缸内直接水喷射技术。研究了在不同条件下氨-氢燃料发动机的排放特性，并指出缸内直接水喷射可以有效调节氨氮比（ANR）值。结果表明，在水喷射时刻为?150°CA时，氨氮比可以达到相对最优值，同时确保未燃尽的氨、NOx和N?O的排放浓度保持在较低水平。在此水喷射时刻下，当当量比在0.8～1.0之间调整、水喷射质量在2.5～5.0毫克之间变化时，氨氮比的最佳范围为1.0～1.4，这对应于最佳的SCR（选择性催化还原）处理效率。进一步分析发现，控制水喷射质量在3.75～5.0毫克范围内，并保持当量比在0.95左右，可以有效确保氨氮比在1.0～1.4之间，同时使N?O排放量保持在18.7～40×10??的范围内，并使发动机的热效率保持在48%以上。

引言

在双碳政策的背景下，开发碳中性燃料至关重要。目前，绿色氢气和绿色氨被广泛认为是可行的碳中性燃料选项[1]。与氢气相比，氨由于其无碳特性和较低的储存及运输成本而受到广泛关注[2]。然而，与汽油和柴油等传统化石燃料相比，氨燃料面临一些挑战，包括更高的点火能量、较慢的燃烧速率和较长的点火延迟，如表1所示[3]、[4]。最近的研究提出了多种策略来解决这些问题，这些策略大致可分为两类。第一类专注于提高点火能量，例如多火花塞点火[5]和预燃室喷射点火[6]、[7]。第二类是通过提供其他反应性燃料来增强氨的燃烧特性，采用双燃料燃烧模式。常见的反应性燃料包括柴油[8]、甲醇[9]、氢气[10]、[11]和甲烷[12]。氢气和甲烷也可以与氨混合成混合燃料，以改善燃烧特性[13]、[14]。

尽管氨燃烧不会产生CO?，但在不完全燃烧过程中仍会产生NOx、N?O和未燃尽的氨等污染物。NOx通常可分为两部分：NO和NO?。虽然NO?在氨燃料发动机中的排放量只占很小一部分，但NO在大气中会被氧化成NO?，从而加剧光化学烟雾和酸雨的形成[17]。对于氨燃料发动机而言，N?O的温室效应是CO?的298倍[18]。另一种污染物是未燃尽的氨，这是一种有毒且具有刺激性的气体，对人类健康构成风险[15]。随着排放法规的日益严格，限制氨燃料发动机的污染物排放变得越来越重要。因此，解决排放问题已成为开发和采用氨作为替代燃料的关键优先事项。

根据对氨燃料发动机主要污染物排放的研究，NO排放作为主要产物，可能占总NOx排放量的90%以上[7]。由于氨分子中含有氮原子，氨燃料发动机中产生的NO有两种形式：燃料NO和热NO[19]。根据不同的氨燃烧当量比，燃料NO和热NO的比例也会有所不同。研究表明，在稀燃条件下，氨燃料发动机中的NO排放以热NO为主，燃料NO的比例较低[20]、[21]。Ma等人[22]进一步指出，在当量比为0.6到1.0的范围内，热NO和燃料NO的比例并不相等。热NOx排放占总NOx排放的比例在67%到74%之间，随着当量比的增加，热NOx的比例减少而燃料NOx的比例增加。关于未燃尽的氨排放，其变化趋势与NO排放的趋势相反，在稀燃条件下排放浓度相对较低[23]、[24]。因此，在未燃尽的氨、N?O和NOx排放之间的这种权衡关系中，同时实现零排放是不可行的。考虑到N?O的排放情况，需要选择适当的发动机运行策略来平衡这三种排放物。

在汽油发动机中，缸内水喷射（WI）技术的一个关键作用是有效控制爆震。在本研究中，发动机使用氢气作为预燃室的燃料。预燃室及其周围的较高局部氢气浓度可能会增加爆震的风险。因此，缸内WI可以帮助在发动机运行过程中减轻这一风险。缸内WI技术的另一个重要作用是控制气缸内污染物的形成，这一直是控制热NOx排放的重要方法。对于柴油和汽油发动机，NOx被认为是主要的污染物排放物。水喷射减少NOx排放的主要机制是通过水的吸热和蒸发实现冷却和稀释效果，从而抑制热NO的形成，最终控制NOx的排放浓度。关于这一主题的详细讨论可以在Zhu等人[25]和Wan等人[26]的综述中找到。近年来，人们通过对氨燃料与水进行预混合的基础研究，探索了水在氨燃烧过程中的化学效应[27]、[28]、[29]，大多数研究表明水的添加可以显著增强H + H?O= OH + H?和O + H?O = 2OH的反应，从而有效促进氨的燃烧[28]、[30]。Ariemma等人[27]在基础燃烧实验中发现，水的添加可以抑制热NO的产生途径，在化学计量条件下将NO排放浓度降低了100×10??。对于氨燃料发动机，WI也可以考虑用于减少NO排放。然而，目前关于WI技术在氨燃料发动机中的应用尚缺乏相关研究。由于发动机运行过程中电荷流动的复杂性以及缸内水喷射后水分布不均导致的燃烧过程变化，基础研究中无法充分考虑其对污染物形成过程的影响。因此，研究缸内水喷射对氨燃料发动机中污染物形成过程和排放的影响至关重要。

在氨燃料发动机中，传统的采用尿素喷射作为SCR（选择性催化还原）还原剂的方法可以被直接喷射氨替代。特别是，Gao等人[31]提出，排放污染物中的未燃尽氨也可以作为还原剂。发动机可以直接在SCR中使用未燃尽的氨，适当的未燃尽氨与NO的比例可以确保SCR不仅减少NOx，还能消除未燃尽的氨排放，Oh等人[32]和Shawn等人[33]也表达了类似的观点。因此，本研究根据上述学者的观点，将未燃尽氨与NO排放浓度的比例作为评估氨燃料发动机排放控制效果的指标，而不仅仅是关注未燃尽的氨或NO等单一排放物。

本研究选择了一种带有预燃室喷射点火的单缸发动机，以氨作为主燃烧室燃料，氢气作为预燃室燃料，并结合了缸内直接水喷射技术。研究探讨了不同氨燃料当量比、不同的缸内水喷射时刻和不同的缸内水喷射质量对未燃尽氨与NOx排放比例的影响。此外，还探讨了能够平衡各种污染物排放和发动机指示热效率的适当水喷射策略。

方法部分

方法论

本研究使用了一种带有预燃室喷射的四冲程单缸发动机作为几何模拟模型。发动机的关键参数在表2中提供。发动机的几何模型包括进气口、进气阀、活性预燃室、气缸、活塞、排气阀和排气口。活性预燃室安装在发动机顶部，配备有氢喷射器和火花塞。水喷射器安装在主...

结果与讨论

对于发动机来说，实现零排放需要结合缸内污染物形成控制和缸外的后处理系统。在传统的汽油或柴油燃料发动机中，NOx排放是主要污染物之一，通常通过安装TWC（三效催化转化器）或SCR系统来控制，以确保符合排放法规。与这些传统燃料发动机相比，氨燃料发动机的排放物不仅包括NOx...

结论

本研究探讨了不同水喷射时刻和质量对氨燃料发动机污染物排放浓度的影响。研究结果表明，水喷射技术的应用可以有效调节氨氮比（ANR）值，并在保持后处理系统较高效率的同时有效控制发动机污染物排放。主要结论如下：

(1)

不同WI（水喷射）时刻对ANR值的影响并不一致。

作者贡献声明

上全博：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件开发。邓军：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。季萌：撰写 – 审稿与编辑，软件开发。黄毅：监督，项目管理。李立光：项目管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢为本研究提供支持的基金会，包括中国自然科学基金 [资助编号 T2241003]和上海市科学技术计划 [资助编号 22ZR1463000]。