噴油壓力和進氣溫度對氨/正十二烷雙燃料發動機燃燒穩定性影響研究

劉海峰，王冠月，文銘升，明鎮洋，崔雁清，堯命發

噴油壓力和進氣溫度對氨/正十二烷雙燃料發動機燃燒穩定性影響研究

劉海峰，王冠月，文銘升，明鎮洋，崔雁清，堯命發

(天津大學先進內燃動力全國重點實驗室，天津 300072)

基于一臺光學發動機，在1200r/min轉速下，采用進氣道低壓噴射氨氣，缸內高壓直噴高活性正十二烷的雙燃料燃燒模式，應用火焰高速成像方法，研究了噴油壓力和進氣溫度對氨/正十二烷雙燃料發動機缸內燃燒的影響規律．結果表明，直噴燃料噴射壓力降低，導致正十二烷濃度分層增大，自燃著火點增多，更有利于正十二烷引燃均質預混合的氨氣；直噴壓力在30MPa和60MPa工況下，火焰初期NH3燃燒的橘色火焰占主導，之后呈現正十二烷預混藍色火焰與NH3橘色火焰疊加現象；在90MPa噴射壓力下，火焰發展初期正十二烷預混藍色火焰占主導，隨著燃燒發展NH3橘色火焰的比例逐漸增多．在30MPa噴射壓力下，缸內直噴正十二烷可以實現90%氨氣比例的穩定著火，但是燃燒反應速率過低，燃燒持續期過長．進氣溫度從100℃升高到125℃后，自燃著火點數量增加，氨雙燃料燃燒反應速率提高，放熱率峰值增大；然而進氣溫度進一步從125℃提高到150℃時，對燃燒壓力和放熱率影響很?。鲜鲅芯勘砻?，較低的直噴燃料噴射壓力和適當提高進氣溫度更有利于氨燃料的穩定著火以及燃燒速率的提升和氨在雙燃料中占比的提高．

雙燃料發動機；氨氣；正十二烷；噴射壓力；光學診斷

在碳達峰與碳中和發展目標下，氫氣、氨氣等無碳燃料成為內燃機行業研究的熱點課題．氨氣作為一種無碳燃料，是一種良好的氫能載體[1]，同時又有氫氣所不具備的高穩定性、低儲存成本等優勢[2]，成為近些年內燃機行業研究重點之一．

氨含有17%的氫，液態氨的體積能量密度約是液態氫的3倍[3]．在儲存、運輸和分配方面，液氨比氫氣更加方便和安全．氨很容易在常溫常壓下液化；而氫氣需要在環境溫度下以相對較高壓力(24821kPa)，或在冷卻到20K的極低溫下以液體形式儲存[4]．但是氨作為燃料的缺陷也十分明顯[5]．相比于化石燃料，氨具有較高的自燃溫度和較低的層流燃燒速度，氨的這些特性使氨以單一燃料方式在發動機中燃燒應用的難度較大，因此氨燃料應用的可行方式之一是雙燃料燃燒．

在點燃式發動機中，雖然壓縮比較低，但是由于火花塞點火可為氨燃料的燃燒提供點火能量，因此也能夠保證氨氣的穩定燃燒．此外，氨與其他高活性燃料的雙燃料燃燒策略能夠解決氨燃料火焰傳播速度較慢的問題．Grannell等[6-7]發現70%氨和30%汽油混合后，可以在一臺增壓點火發動機上運行良好；氨氣排放量與燃料中的氨摻混量呈比例，而CO和UHC則隨著汽油比例的增加而增加．Frigo等[8]進行了不同負荷下氨和汽油混合燃燒試驗，研究表明，同等條件下，氨和汽油混合燃燒的功率低于純汽油燃燒的功率，但燃油消耗率更優．近年來，氨-氫雙燃料點燃模式獲得了更多學者的關注，這是因為氫燃燒時的火焰傳播速度較快，能夠彌補氨較低的火焰傳播速度，從而提高燃燒穩定性[9-12]．

在壓燃式發動機中，1966年Gray等[13]將液氨直接噴入CFR(cooperative fuel research)發動機進行壓燃，測出氨成功自燃的壓縮比在35∶1，并且發現只有當液氨的噴射不晚于上止點前80°CA時，才能觀察到火焰燃燒．之后Gray等在CFR發動機上研究了氨和柴油混合燃料的燃燒，穩定著火的最小壓縮比在15.2∶1，顯著降低了純氨壓燃對高壓縮比的依賴．Pearsall[14]采用向進氣系統供應氨氣，缸內直噴少量柴油引燃氨氣的方法，實現氨氣穩定著火．Reiter和Kong[15]研究發現，進氣系統中引入氨并注入柴油或生物柴油的雙燃料方式，可以實現最大95%氨比例的雙燃料燃燒．楚育純[16]為了使氨在壓燃式發動機中穩定燃燒，在氨氣中加入了助燃劑丙烷，并引入極少量柴油進行輔助引燃，在不改變現有發動機壓縮比的情況下保證了起燃的可靠性．德國MAN與芬蘭Wartsila兩大全球船用低速機占比95%的企業，也正在開發氨氣-柴油雙燃料發動機，無論是低壓噴射氨技術還是上止點附近高壓噴射氨技術，均使用了柴油作為引燃燃料[17]．

基于以上研究，并結合氨燃料自身的燃燒特性，可以發現雙燃料模式是氨燃料壓燃應用的有效燃燒方式之一．先前研究探明了直噴燃料的噴射特性對雙燃料發動機的影響規律[18-19]，但是氨雙燃料不同條件下的著火穩定性和火焰發展特征研究鮮有報道，制約了氨發動機性能的提升．因此，本文利用進氣道噴射氨氣、缸內直噴正十二烷引燃氨氣的雙燃料燃燒模式，通過觀察火焰圖像，研究邊界條件對氨氣在缸內穩定燃燒的影響機制，進而提出高比例氨氣在壓燃式發動機內穩定燃燒的控制策略．研究對氨-柴油雙燃料發動機燃燒理論和控制技術發展具有重要意義．

1 試驗裝置與研究方法

1.1 光學發動機及高速攝像系統

試驗使用的光學發動機由一臺4缸、自然吸氣輕型柴油機(4沖程)改造而來，除了第3缸留下作為工作缸，其余3缸不工作．光學發動機裝配和結構示意如圖1所示，發動機結構參數見表1．

如圖1所示，首先改造后的光學發動機工作缸的缸套為可移動獨立式缸套，能夠實現缸套的快速安裝與拆卸，這樣方便內部石英窗口的清洗．工作缸搭配單獨的進氣加熱和冷卻水系統．活塞采用加長式結構，在加長活塞下方設置了45°紫外反光鏡，燃燒室底部為石英玻璃，發生燃燒時火焰信號能通過反光鏡傳到高速相機(Photron SA5)．由于燃燒室石英玻璃的限制，光學發動機不能采用太高壓縮比，以免爆壓過高導致玻璃破裂．光學發動機壓縮比為11，燃燒室結構與可視化范圍如圖2所示．

（a）裝配圖 （b）工作缸結構示意

圖1 光學發動機裝配圖和工作缸結構示意

Fig.1 Assembly diagram of optical engine and structure diagram of working cylinder

表1 光學發動機基本結構參數

Tab.1 Basic structural parameters of optical engine

圖3為火焰高速成像工作原理，M代表反光鏡，W代表活塞頂部的玻璃視窗與環形石英玻璃窗口.試驗過程中電控單元(ECU)接收曲軸轉角信號并等待燃油噴射控制系統的噴油命令，當燃油噴射控制系統發出噴油命令時，電控單元將信號傳給噴油器，使噴油器噴油，同時通過脈沖延時觸發器(DG535，Stanford Research)將拍照命令傳給高速相機實現一次噴霧燃燒信息的采集．光學發動機燃油噴射系統由博世的高壓共軌缸內噴油器(DI)和低壓進氣道噴油器(PI)兩套燃油噴射系統組成，缸內直噴噴油器有6個噴孔，每個噴孔直徑為150μm，如圖2所示，噴油器偏離于燃燒室中心，噴霧錐角為150°；進氣道采用低壓氨氣噴射閥，噴射壓力為0.46MPa，噴射時刻為-330°CA ATDC．高速相機使用F/1.4光圈、50mm焦距的尼康鏡頭，幀率與分辨率設定為20000幀/s和512×512像素，在發動機轉速1200r/min下，每張圖像間隔為0.36 °CA．

圖2 燃燒室結構和可視區域示意

圖3 光學發動機高速成像工作原理

1.2 發動機運行工況與試驗燃料

試驗過程中，發動機每隔20個循環噴一次油，這樣一方面防止玻璃受損，另一方面降低反光鏡及玻璃窗口的受污染程度．試驗基準控制參數如下：冷卻水溫在95℃，每循環噴油總量控制為35.94mg柴油．氣道噴射氨氣，直噴高活性燃料為正十二烷．正十二烷十六烷值達到87，顯著高于傳統柴油的十六烷值52和正庚烷的十六烷值56．氨氣與正十二烷的燃料特性如表2所示．

研究設置多組對比試驗，每組試驗設置3組重復性試驗，試驗方案如表3所示，其中溫度為進氣溫度，壓力表示缸內燃料噴射壓力．設置125℃進氣溫度、噴射壓力60MPa為對照組，進氣道噴射氨氣，形成均質混合氣，缸內直噴正十二烷，形成分層的混合氣，從照片上看缸內會形成順時針的渦流．首先控制進氣溫度在125℃，改變噴油壓力分別為30MPa和90MPa，與對照組進行對比，研究缸內引燃燃料噴射壓力對氨氣/正十二烷在缸內燃燒的影響；然后控制噴射壓力為60MPa，改變進氣溫度分別為100℃和150℃，與對照組進行對比，研究進氣溫度對氨氣/正十二烷缸內燃燒火焰發展的影響．

表2 燃料特性參數[20-22]

Tab.2 Fuel properties parameters[20-22]

表3 試驗方案

Tab.3 Test plan

在每組試驗最后，在氨氣-正十二烷熱量比例為6∶4的基礎上，盡可能增加氨氣比例，探究不同邊界條件能夠達到的最大氨氣比例，從而實現更大比例氨燃料的穩定壓燃，更大程度降低碳排放，表3中給出了不同條件下的試驗工況．

2 結果與討論

2.1 不同噴油壓力對氨氣/正十二烷燃燒的影響

圖4為-30°CA ATDC噴射時刻下，30MPa、60MPa、90MPa噴油壓力的缸壓和放熱率．圖中氨氣與正十二烷比例為6∶4與圖中虛線所示的無氨燃料噴射的缸壓和放熱率相比，由于氨氣的自燃性差，氨氣的加入明顯推遲了著火時刻(圖中實線所示)．對比不同噴油壓力的缸壓放熱率曲線可以看到，當氣道有氨氣噴射時、隨著直噴燃料噴射壓力的升高，燃燒壓力和放熱率峰值逐漸降低、燃燒持續期延長；而氣道沒有氨燃料噴射時，直噴燃料的噴射壓力對缸內燃燒壓力和放熱率影響很?。砻髦眹妷毫Π彪p燃料條件下燃燒放熱的影響更顯著．

圖4 在125℃進氣溫度和-30°CA ATDC噴射時刻下，30MPa、60MPa、90MPa噴射壓力的缸壓和放 熱率

Fig.4 Cylinder pressure and heat release rate at -30°CA ATDC injection timing and 125℃ intake tem-perature with different injection pressures of 30MPa，60MPa and 90MPa

圖5為125℃進氣溫度、-30°CA ATDC噴油時刻下，噴油壓力30MPa、60MPa、90MPa時燃燒圖像．由于噴油器偏置，因此可以看到圖像上方的火焰形狀更加明顯．圖中表明，混合氣以多點自燃的方式在靠近燃燒室壁面區域率先形成自燃著火點，這是因為由于氨氣著火困難、使正十二烷的滯燃期延長，高活性燃料噴霧混合氣在噴射的動量下不斷向下游發展，在-30°CA ATDC的直噴時刻下導致燃油撞壁并在近壁面附近區域形成合適的當量比濃度，進而誘發該區域先行著火[23]．隨著直噴燃料噴射壓力升高，自燃著火點逐漸減少．噴油壓力的增加，導致缸內濃度分層和活性分層逐漸降低，這是因為噴油壓力的增大，使燃料噴霧的動量較大，可以攜帶周圍更多的空氣，增強空氣-燃料混合氣的混合，導致局部當量比降低[24]，因此不能將氨氣很好地引燃．自燃點的減少意味著燃料反應速率降低，火焰充滿燃燒室的時間延長，燃燒持續期延長，導致放熱率峰值降低．燃燒室壁面附近的自燃著火點以火焰傳播的方式發展，同時新的自燃點不斷產生，火焰逐漸向燃燒室中心發展．到燃燒中期，火焰的顏色為正十二烷的預混藍色火焰與橘色火焰疊加，橘色發光為NH3的火焰發光，主要是由NH2a和過熱水光譜引起的[25]．最后直到火焰充滿整個燃燒室．

圖5還表明，在噴油壓力30MPa和60MPa條件下，火焰最初呈現明顯NH3燃燒的橘色火焰，之后火焰顏色呈現預混藍色火焰與氨氣橘色火焰疊加現象；而噴油壓力90MPa時，火焰發展初期大部分是預混藍色火焰，只能觀測到小部分橘色火焰，隨著火焰的發展橘色火焰比例逐漸增多，越來越多的氨氣被引燃．在噴油壓力90MPa工況，正十二烷霧化效果更好，同時氨氣的低活性使滯燃期延長，讓氨和正十二烷燃料與空氣充分混合，正十二烷局部當量比和活性降低，導致正十二烷自燃困難，氨氣不能很好地被引燃，因此噴射壓力90MPa時燃燒初期的火焰主要是正十二烷自燃占主導的藍色火焰，而低噴射壓力下則是局部高能量的正十二烷自燃后引燃周邊低活性氨氣的過程，因此燃燒初期火焰是NH3燃燒發光主導．這為后面噴油壓力30MPa時將氨氣/正十二烷比例提高到9∶1奠定了理論基礎．

圖5 噴油時刻-30°CA ATDC和進氣溫度125℃下不同噴油壓力的燃燒圖像

圖6為125℃進氣溫度、30MPa噴油壓力工況下氨氣/正十二烷比例為6∶4和9∶1在-25°CA ATDC和-20°CA ATDC噴射的缸壓和放熱率圖線．可以看出高比例的氨氣使缸內燃燒持續期延長，燃燒壓力顯著降低．由于作為引燃的正十二烷比例減少，增加了引燃NH3的難度，同時氨氣極低的層流火焰速度大大降低了缸內燃燒反應速率，上述兩個原因導致缸壓和放熱率峰值大幅度降低，著火延遲增加.

圖7為30MPa噴油壓力和-20°CA ATDC噴油時刻下，氨氣與正十二烷比例為9∶1的燃燒圖像，由于燃燒火焰的圖像亮度過低，為了更清楚地觀察，將圖像進行了亮度放大4倍處理．在其他的缸內燃油噴射時刻下發動機失火，主要是因為高比例的氨氣大大增加了滯燃期，過早的噴油提前角使正十二烷在缸內的局部當量比過低，不能引燃氨混合氣；而過遲的噴油提前角使著火時刻后移，此時的活塞已經遠離上止點，缸內的壓力和溫度已經達不到混合氣著火的條件，因此不能成功著火．

圖6 在125℃進氣溫度、30MPa噴油壓力下氨氣與正十二烷比例為6∶4和9∶1時缸壓和放熱率

以燃燒較好的噴射時刻-20°CA ATDC工況為例，在上止點后3.96°CA時，第1次出現微弱的火焰自燃點，并且火焰自燃著火點很少，同時受到氨氣層流火焰速度的影響，火焰的發展速度相對緩慢，從著火開始到火焰布滿整個燃燒室經過了25.2°CA．火焰發展初期，在壁面附近形成自燃著火點，之后火焰逐漸向四周擴散，相比于6∶4的比例，9∶1的氨氣/正十二烷燃燒的火焰發展以火焰傳播方式為主，尤其是燃燒室中心缺少高活性燃料的分布，幾乎沒有形成新的自燃著火點．由于直噴正十二烷比例從40%降低到10%，所以圖7中缸內燃燒以氨氣橘色火焰為主，只能看到一小部分的預混藍色火焰．可見，缸內正十二烷可以實現90%氨氣比例的穩定著火，而相同工況下筆者先前試驗研究發現，使用活性較低的正庚烷作為引燃燃料最高氨氣穩定著火的比例只有60%．

圖7 噴油壓力30MPa、進氣溫度125℃、噴射時刻 -20°CA ATDC時氨氣與正十二烷比例為6∶4和9∶1的燃燒圖像

2.2 不同進氣溫度對氨氣/正十二烷燃燒的影響

已有研究表明，適當提高進氣溫度增強了缸內的熱氛圍，促進壓燃著火，改善燃料燃燒的穩定性[26].因此，本部分研究提高進氣溫度后對氨燃料著火及燃燒速率的改善作用．圖8為噴射壓力為60MPa、 -30°CA ATDC噴油時100℃、125℃、150℃進氣溫度的燃燒壓力和放熱率，氨氣/正十二烷比例為6∶4. 當進氣溫度從100℃上升到125℃時，可以看到出現自燃著火點的時間提前，壓力升高率、缸壓和放熱率峰值都顯著提高，這是因為進氣溫度的提高使缸內熱氛圍能夠更快達到混合氣的著火界限．但當進氣溫度進一步從125℃上升到150℃時，缸壓與放熱率曲線并沒有明顯變化．這可能是在125℃溫度以上，正十二烷的混合速率受溫度影響很小，熱擴散作用不顯著，主要還是依賴湍流的混合，因此導致更高的150℃進氣溫度下，對NH3的引燃作用差異很小，燃燒壓力和放熱率之間差異也就很小.

圖8 在噴油壓力60MPa、噴油時刻-30°CA ATDC時不同進氣溫度下的缸壓和放熱率

圖9為100℃、125℃、150℃3個進氣溫度的燃燒圖像．從缸壓放熱率看，125℃與150℃進氣溫度燃燒始點幾乎沒有區別，但燃燒圖像上150℃燃燒始點比125℃提前2.16°CA，二者之間火焰發展速度相近，而100℃進氣溫度下著火延遲更長．

從圖9(a)可以看到，從-1.80°CA ATDC直到7.92°CA ATDC附近，火焰才充滿整個燃燒室，整個火焰發展階段持續接近10°CA；而另外兩個更高進氣溫度的工況火焰發展階段持續7°CA左右．3個工況均是在壁面附近形成自燃著火點，隨后火焰一邊以火焰傳播的方式發展，一邊在燃燒室內形成更多的自燃著火點，從而使火焰向燃燒室中心發展．從火焰顏色來看，進氣溫度100℃時燃燒初期的火焰顏色接近橘色火焰與藍色火焰的疊加，該狀態持續到燃燒后期．進氣溫度125℃與150℃的火焰顏色接近，燃燒初期火焰為橘色火焰；隨著火焰的發展，預混藍色火焰越來越明顯，相比于100℃進氣溫度工況，這兩種工況的火焰亮度更高，這是因為進氣溫度的提高有助于提高燃料燃燒反應速率．

圖9 在噴油壓力60MPa、噴油時刻-30°CA ATDC時不同進氣溫度的燃燒圖像

3 結 論

(1)對于氨與正十二烷能量比例為6∶4的雙燃料燃燒，噴油壓力的改變對缸內的燃燒影響顯著．隨噴油壓力升高，正十二烷霧化改善，局部當量比減小，氨氣更難被引燃，燃燒初期的火焰顏色由氨燃燒的橘黃色為主導轉變為正十二烷預混燃燒產生的藍色火焰為主導；隨著直噴燃料噴射壓力提高，自燃著火點比例減少，燃燒反應速率降低，燃燒持續期延長，放熱率峰值降低．

(2)在30MPa的噴射壓力下，缸內直噴高活性的正十二烷燃料可以觀察到90%氨氣比例燃燒的火焰圖像，燃燒發展以火焰傳播方式為主，尤其是燃燒室中心缺少高活性燃料的分布，幾乎沒有形成新的自燃著火點．因此導致高氨氣比例下的燃燒持續期延長，燃燒壓力顯著降低．

(3)進氣溫度從100℃上升到125℃時，氨氣與正十二烷的雙燃料燃燒始點提前，缸壓和放熱率峰值顯著增大；當進氣溫度從125℃上升到150℃時，缸內火焰發展特征基本不變，兩種工況的放熱規律基本一致．因此適當提高進氣溫度有利于氨燃料的穩定著火，而過高進氣溫度對氨雙燃料燃燒的改善不明顯.

(4)從氨雙燃料發動機控制看，更低的直噴燃料噴射壓力、適當提高進氣溫度更有利于氨燃料的穩定著火以及燃燒速率提升和氨在雙燃料中占比的提高.

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Influence of Injection Pressure and Intake Temperature on Combustion Stability of Ammonia/n-Dodecane Dual-Fuel Engine

Liu Haifeng，Wang Guanyue，Wen Mingsheng，Ming Zhenyang，Cui Yanqing，Yao Mingfa

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In this paper，based on an optical engine，a dual-fuel combustion mode of ammonia injection at low pressure and n-dodecane injection at high pressure in the cylinder was developed at 1200r/min speed. The ammonia/n-dodecane ratio was set as 6∶4. The effect of injection pressure and intake air temperature on the combustion of ammonia/n-dodecane in the cylinder was analyzed by the high-speed flame imaging method. The results are as follows. The decrease of injection pressure led to the more obvious concentration stratification of n-dodecane and an increased number of auto-ignition points，which is favorable to the ignition of NH3by n-dodecane. At the direct injection pressure of 30MPa and 60MPa，the orange flame of NH3combustion was dominant in the initial stage，and then the superposition of blue fame of premixed n-dodecane combustion and orange flame of NH3combustion occurred. Under the injection pressure of 90MPa，the blue flame of premixed n-dodecane combustion dominated in the early stage of flame development，and the proportion of orange flame gradually increased with the development of combustion. Under the working condition of 30MPa injection pressure，the ignition of ammonia/n-dodecane with the ratio of 9∶1 was achieved in the optical engine，but with a low combustion reaction and a long combustion duration. Besides，the increase of intake temperature from 100℃ to 125℃ increased the number of auto-ignition points，the reaction rate of dual fuel combustion and the peak heat release rate. But the combustion improvement was not obvious when the intake gas temperature increased from 125℃ to 150℃. The above research shows that lower injection pressure of direct injection fuel and proper increase of intake temperature are more conducive to the stable ignition of ammonia fuel，the rise of combustion rate and the increase of the proportion of ammonia in the dual fuel.

dual fuel engine；ammonia；n-dodecane；injection pressure；optical diagnosis

TK421.2

A

1006-8740(2024)01-0001-08

2022-11-18．

國家自然科學基金資助項目(52130605)；國家自然科學基金創新群體資助項目(51921004).

劉海峰(1981— )，男，博士，教授，haifengliu@tju.edu.cn.

劉海峰，男，博士，教授，haifengliu@tju.edu.cn；文銘升，男，博士，mingshengwen@tju.edu.cn.

(責任編輯：隋韶穎)