孙九玲|唐庆龙|王文杰|杨瑞|刘海峰|姚明发
天津大学发动机国家重点实验室，天津300072，中国
摘要：适当的预燃室（PC）设计对于提高氨燃料PC发动机的燃烧性能至关重要。然而，预燃室几何形状的影响及其在部分氨裂解条件下的作用机制仍不够清楚。在本研究中，设计了四种被动式预燃室，并利用自然火焰亮度成像技术系统地研究了不同预燃室几何形状在不同氨裂解比（ACR）下的火焰发展情况。此外，在ACR为10%的条件下，分别在最佳点火时刻检查了不同预燃室几何形状的燃烧行为，以确定最佳预燃室几何形状。结果表明，将ACR从0%增加到10%显著提高了所有预燃室情况下的燃烧性能。对于5毫米喉部的预燃室，小孔径预燃室在低ACR条件下的燃烧性能较差，这是由于较强的收缩效应。当ACR增加到10%时，两种预燃室的总体燃烧性能变得相当。小孔径预燃室由于较大的压力差（ΔP）而实现了更高的喷射穿透速度，而大孔径预燃室则通过更均匀的喷射火焰分布实现了更快的整体火焰传播。对于3毫米喉部的预燃室，尽管增加的流动限制提高了峰值ΔP，但它导致两种预燃室中的火焰熄灭。这些发现表明，部分裂解氨的燃烧性能强烈依赖于喉部和孔径几何形状的耦合效应，其中火焰熄灭是一个关键因素。一旦发生火焰熄灭，增加的ΔP也无法促进主燃烧室中的火焰传播。
引言
为了解决日益严重的能源危机和环境污染问题，交通运输行业迫切需要部署可再生和清洁能源，以减少对化石燃料的依赖。氢（H2）是最有前景的零碳清洁能源之一。然而，氢的固有缺点，包括其低体积能量密度、高易燃性和泄漏倾向，在储存和运输方面带来了重大挑战[1]、[2]。此外，缺乏完善的加注基础设施进一步限制了氢在交通运输领域的大规模应用。氨（NH3）是一种有吸引力的氢载体，其氢含量为17.6 wt% [3]、[4]，并且与液态氢相比具有更高的体积能量密度。此外，氨的理想完全燃烧仅产生水和氮气，使其成为一种非常有前景的零碳替代燃料。与氢相比，氨在常温条件下的物理化学稳定性更好，使得储存和运输更加方便，并且与现有能源基础设施的兼容性更好[2]。因此，氨是未来清洁能源系统的一个有希望的候选者。然而，氨的燃烧存在几个固有的限制，包括高最小点火能量、低层流火焰速度和高NOx排放[5]、[6]，这些限制了其在动力设备中的应用。为了克服这些挑战，当前的研究工作主要集中在两种技术策略上：将氨与高反应性燃料混合以及采用先进的点火技术[7]。在压缩点火发动机中，常用的混合燃料包括柴油、生物柴油、正庚烷和醚基燃料。汽油、甲烷和氢通常被用作火花点火（SI）发动机的预混燃料[8]。在这些方法中，氨-氢预混燃烧因其实现无碳运行的潜力而受到了相当大的关注。由于离线氢供应的相关挑战，车载氨分解以生产氢气越来越受到关注[9]。通过氨分解车载生产氢气可以有效避免与氢储存和运输相关的技术和安全挑战[10]。在当前的动力设备应用中，车载氨分解主要通过两种方法实现：缸内富燃料重整[11]、[12]和独立的氨分解系统[13]。缸内富燃料重整通常需要一个专用的重整缸，在富燃料条件下运行，其中多余的氨在高温缸内环境中部分分解为氢[11]。然而，使用专用重整缸可能导致功率输出不均匀，从而导致发动机系统运行不稳定和振动增加[13]、[14]。因此，本研究采用了独立的氨分解系统进行车载氢气生成。独立的氨分解系统通常依赖于热催化分解来高效稳定地从氨中生产氢[15]。Shi等人[16]研究了预裂解比对单旋流燃气轮机模型燃烧室中火焰宏观结构和排气排放的影响。他们的结果表明，增加氨裂解比会导致火焰高度缩短和OH*荧光强度增强；部分预裂解有效地促进了NH3的燃烧，尽管代价是NOx排放增加。Mei等人[17]使用摩尔比为3:1的H2/N2混合物在恒容燃烧室中模拟裂解氨气，并研究了在不同氨裂解比和当量比下的层流火焰传播特性。结果表明，化学效应在提高NH3的层流火焰速度方面起主导作用，而热效应的贡献相对有限。Klawitter等人在光学发动机中使用了Schlieren成像技术研究了纯氨、部分裂解氨和甲烷的湍流火焰传播。他们的发现表明，大约10%的氨裂解比在贫燃条件下使火焰传播速度与甲烷相当。Koike等人[19]开发了一种包含自热重整的发动机系统，在该系统中，少量空气被引入到氨的催化分解中。部分氨氧化释放的热量用于维持催化剂温度，从而实现了高效的氨分解。在H2/NH3摩尔比为2:1时，实现了稳定和快速的怠速运行以及冷启动性能。
另一种提高氨燃烧效率的有效策略是应用先进的点火技术。预燃室点火（PCI）由于其合理的成本、高可靠性和对现有发动机系统的强适应性而受到了广泛关注。PCI能够生成多个分布式的点火点[20]、[21]，从而有效缓解氨的燃烧迟缓问题。预燃室（PC）的几何形状在塑造进入主燃烧室（MC）的火焰喷射行为方面起着关键作用，并对点火和燃烧性能有显著影响[22]。适当设计的PC几何形状可以促进喷射形成并增强MC中的火焰传播。相反，不适当的设计可能会对燃烧稳定性和效率产生不利影响。Xie等人[23]设计了七种不同的预燃室，研究了PC体积、孔径直径和孔径数量对乙醇燃料预燃室发动机燃烧和排放特性的影响。他们的结果表明，PC体积比为5.23%时实现了最高的热效率、最宽的贫燃极限以及最低的HC和CO排放。在后续研究中，Xie等人[24]进一步研究了PC孔径数量、方向和直径对甲醇燃烧和排放的影响。结果表明，孔径角度为15°、六个孔径和孔径直径为1.25毫米的PC配置获得了最高的热效率。Yang等人[25]设计了九种主动式预燃室，并研究了PC内部结构、孔径角度和孔径直径及数量对单缸汽油发动机贫燃性能的影响。结果表明，当预燃室顶部、过渡区和喉部区域的体积比为1:1:1时，发动机在当量比为2.6时实现了最高的峰值热释放率。Miao等人[26]研究了PC体积、孔径直径和数量以及孔径在气缸内的位置对汽油发动机燃烧特性的影响。他们的结果表明，体积比为4.5%时获得了最高的热效率。Novella等人[27]使用光学诊断技术研究了PC孔径方向对燃烧的影响，比较了直喷嘴和倾斜喷嘴。他们的发现表明，尽管倾斜喷嘴引起的旋流运动对初始喷射速度的影响有限，但它显著增强了MC中的火焰传播。总体而言，现有的关于PC结构的研究主要集中在PC体积、孔径数量和孔径直径上。Tang等人[28]报告称，在甲烷燃料发动机中减小喉部直径增加了PC和MC之间的压力差，从而加速了火焰传播。因此，本研究重点阐明了控制喷射火焰传播的机制，特别强调了3毫米喉部PC配置中喉部的作用。
总之，现有的关于预燃室几何形状的研究主要集中在扩展碳氢燃料的贫燃极限上。由于不同燃料的物理化学性质不同，PC结构参数对燃烧性能的影响也有所不同[24]。对于氨燃料发动机，对PC设计的研究主要通过数值模拟进行[29]；在部分裂解氨条件下研究PC几何形状对发动机影响的实验研究仍然有限且结论不明确。
在本研究中，使用车载氨分解器进行氨的催化分解，实现了氨燃料发动机在单燃料操作下的高效稳定燃烧。设计并开发了四种预燃室，在保持恒定PC体积的同时系统地改变了喉部直径和孔径直径。使用自然火焰亮度（NFL）成像技术在光学发动机中实验研究了不同氨裂解比（ACRs）和预燃室结构下的燃烧性能。此外，在固定的ACR为10%的条件下，研究了点火时刻（ST）对不同PC结构的影响，以比较它们在最佳ST条件下的燃烧性能。重点阐明了喉部和孔径直径在燃烧行为中的作用，以确定最佳PC设计。本研究为PCI技术在氨发动机中的实际应用提供了宝贵的指导。值得强调的是，当优化后的PC设计与车载部分氨裂解结合使用时，代表了在发动机中实际应用纯氨的一种非常有前景的策略。
**部分研究内容**
**光学发动机**
实验是在单缸光学发动机上进行的，光学发动机测试系统的示意图如图1所示。详细的发动机规格可以在参考文献[30]中找到。来自氨气瓶的气态氨在出口压力调节为3巴的情况下通过两条独立路径输送。在第一条路径中，氨直接通过质量流量控制器（MFC）输送到缓冲罐。在第二条路径中，氨...
**5毫米喉部预燃室的燃烧特性**
本节比较了T5O2和T5O1.4两种情况在不同氨裂解比下的燃烧性能，点火时刻为-25 °CA ATDC。图3展示了两种情况下MC内的平均缸内压力和热释放率（HRR）的变化，以及PC和MC之间的压力差（ΔP）在不同ACR下的变化。压力波动由压力的标准差表示。循环解析压力与平均压力之间的标准差...
**结论**
在本研究中，设计并开发了四种被动式预燃室案例。使用NFL成像技术研究了不同氨裂解比下不同PC几何形状在点火时刻为-25 °CA时的燃烧性能。此外，还研究了ST对不同PC几何形状燃烧行为的影响，以评估在各自最佳ST下的燃烧性能，并确定在ACR为10%时的最佳PC几何形状。
**作者贡献声明**
王文杰：研究工作
姚明发：监督、资源管理、项目管理和资金获取
杨瑞：研究工作
刘海峰：监督、方法论、研究工作
孙九玲：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、研究工作、数据分析、概念化
唐庆龙：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理和方法论、研究工作、资金获取、概念化
**利益冲突声明**
☒ 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
**致谢**
本研究得到了中国国家自然科学基金项目52206166和52130605的支持。
