柴油预喷射策略对小排量氨/柴油双燃料发动机燃烧及排放特性的优化研究

为解决氨燃料高点火温度和低层流火焰速度导致的燃烧效率低下问题，河北师范大学职业技术学院的科研团队通过三维计算流体动力学(CFD)模型，系统研究了低氨能量比(＜30%)下柴油预喷射策略对氨/柴油双燃料(ADDF)发动机的影响。研究发现，当预喷射起始角(SODI-pre)为?47.2°CA且柴油分配比(DSR)为20%时，指示热效率(ITE)提升至47.04%，温室气体(GHG)排放降低16.92%，为小型ADDF发动机的清洁高效运行提供了关键技术支撑。

　　

在全球气候变暖与能源转型背景下，氨(NH₃)作为零碳燃料备受关注，但其高点火温度(903K)和低层流火焰速度(7-8cm/s)严重制约其在发动机中的应用。传统压缩点火(CI)发动机依赖化石燃料导致碳排放问题突出，而氢能又面临储存运输难题。氨凭借17.6wt%的储氢密度和成熟的合成工艺成为理想替代品，但如何改善其燃烧特性成为关键科学问题。

河北师范大学职业技术学院的研究人员聚焦小排量(1.85L)氨/柴油双燃料(ADDF)发动机，通过三维计算流体动力学(CFD)模型，系统探究了柴油预喷射策略对低氨能量比(＜30%)工况下燃烧与排放的影响。研究发现，传统单次喷射策略存在燃烧效率低、氮氧化物(NO_x)排放高等问题，而优化后的预喷射策略可显著提升性能指标。相关成果发表在《Fuel Processing Technology》，为清洁动力系统开发提供了新思路。

研究采用CONVERGE软件建立CFD模型，结合RNG k-ε湍流模型和KH-RT液滴破碎模型，采用69组分389步反应的氨/正庚烷简化机理。通过网格独立性验证(3-4mm)和实验数据对比，验证了模型可靠性。研究设计了单次喷射与四种预喷射时序(?17.2°CA至?47.2°CA)及不同柴油分配比(DSR:10-40%)的对比方案。

3.1 缸内燃烧特性

预喷射策略使放热率曲线从单峰变为双峰形态。当SODI-pre=?47.2°CA且DSR=20%时，指示热效率(ITE)达47.04%，较单次喷射提升1.47%。预喷射柴油在?17.2°CA时集中于活塞碗区形成多点着火，而提前至?47.2°CA可改善混合气均匀性，但会因温度不足延迟燃烧。DSR增至40%使缸内峰值压力从16.86MPa升至19.46MPa，但过高的DSR会因主喷油量减少导致扩散燃烧受限。

3.2 缸内排放特性

预喷射策略使指示比NO排放(ISNO)从5.96g/kW·h增至10.05g/kW·h，但温室气体(ISGHG)从483.65g/kW·h降至401.81g/kW·h。SODI-pre=?37.2°CA时，燃油壁面附着导致局部缺氧，使一氧化碳(ISCO)和碳烟(ISSOOT)排放骤增。温度分析显示，?47.2°CA工况下NH₃通过NH₂+NO→N₂O+H路径生成的N₂O显著减少，这是GHG降低的关键。

该研究证实柴油预喷射策略能有效协调ADDF发动机"高效-清洁"的矛盾。通过优化喷射参数，既改善了氨燃料燃烧效率，又通过控制低温反应区抑制了N₂O生成。未来研究可进一步优化喷油器布置，解决?27.2°CA至?37.2°CA工况下燃烧恶化问题，为小型化ADDF发动机商业化应用奠定基础。