氨替代率对柴油发动机的燃烧及排放性能的仿真

关键词： 柴油发动机；废气减排； 氨、柴油双燃料；替代率；燃烧特性；排放特性

中图分类号： TK 46+4 文献标识码： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.03.013

氨燃料作为一种潜在的无碳和可再生能源重新受到社会和科学界的关注。氨（NH3） 是无碳清洁且低成本的氢载体燃料， 其具有较高的能量密度，可以在相对较小的体积中存储更多的能量。将氨燃料引入内燃机燃烧有利于解决汽车排放污染的问题[1-3]。氨燃料的能量密度高且易液化，储氢质量份额高达17.7% ；因此，氨被认为是良好的氢能源载体。

氨完全燃烧产物只有水和氮气，十分适合作为清洁能源推广至各个工业领域[4-6] 。氨在交通运输方面的应用正在显著增长，挪威的Bergen Engines 公司在Ammonia Zero Emissions Project （AMAZE） 中开发了绿色氨作为替代船舶发动机燃料，旨在开发一种以绿色氨为主要燃料的燃料灵活的内燃机技术[7-8]。但氨的热化学特性限制了该燃料的推广和实际应用[9-10]。由于氨的自燃温度较高且火焰传播速度低，引入发动机作为燃料时常以其他燃料进行掺混达到引燃的目的[11-13]。

在氨与其他清洁能源掺混方面，E. Nadimi [4] 对氨作为主燃料对氨/ 生物柴油双燃料CI 发动机性能和排放进行研究。结果表明，增加氨输入能量比会降低排气温度，替代率达69.4% 时可降低排气温度100 K，CO₂、CO 和HC 排放量显著降低，替代率达69.4% 时，CO₂ 减少510 g/kWh，CO 减少30.1 g / kWh，NO 排放量增加。

C. S. Mørch [14] 以进气道喷射氨与氢的形式，探究了不同过量空气系数和氨体积分数对氨、氢双燃料发动机的燃烧特性和排放特性的影响。研究表明，当氢气体积分数达到10% 的时候，燃烧效率与发动机功率最高。在排放方面，氨、氢双燃料发动机的NO_x 排放量与汽油发动机的NO_x 排放量相当，可以通过使用选择性催化还原处理对排放出的NO_x 以及可能出现的氨排放的进行处理。

WEN Mingsheng [15] 等学者研究了边界条件对氨和正庚烷双燃料发动机燃烧性能的影响，结果显示，增加喷射压力、进气温度压缩比可以优化氨的燃烧质量，但过高的氨能量比会导致燃烧恶化。

在氨于传统石油燃料掺混的研究中，刘海峰[16] 研究了压缩比和当量比对氨/ 柴油双燃料低速机性能的影响，研究结果表明，随着氨燃料当量比的增加，火焰传播速度加快，燃烧压力峰值和放热率明显升高；刘尚[17] 在多模式下掺氨发动机试验研究中采用快速压缩机进行试验，研究发现，汽油机中氨气掺混比从0 提高至12.3 % 后，爆震受到抑制，燃烧相位优化，热效率提高1.2 % ；柴油机中掺混氨气时，燃烧放热时刻推迟，燃烧持续期增加，CO 排放增加，NO 排放降低。

A. J. Reiter [18] 的研究中，将一台四缸涡轮增压柴油发动机的进气歧管加以改进，将柴油燃料喷射到气缸内以达到引燃氨的效果。研究结果显示，40%～60%的柴油燃料为最佳能量比范围。恒发发动机功率、柴油燃料能量增加到60% 以上时，发动机中的氨气、空气混合物接近其可燃极限。在恒定发动机功率工况下，氨气能量替代率低于40%，NO_x 排放量低于使用纯柴油燃料的排放量。

E. Nadimi [19] 研究了不同氨替代柴油的情况下，氨柴油双燃料压燃发动机的点火、排放特性和性能。使用单缸柴油发动机进行实验，转速固定为1200r / min，结果证明，随着氨替代柴油比例的增加，热效率提高，CO₂ 排放显著降低，但NO、NO₂ 和N₂O 排放增加。

综上，氨作为替代燃料常辅以其他燃料用以引燃，才能达到较好的燃烧和排放性能，氨能量比应控制在50% 以内防止燃烧恶化，同时压缩比与燃油喷射策略也会对双燃料发动机的性能产生影响。通过进气道将氨气混合后吸入缸内，可避免气体与液体燃料协同喷射的问题，且无需重新设计缸盖结构，可使氨气与空气充分混合以获得更加稳定的燃烧过程，更加适合现有柴油发动机掺氨改型方案。

在某车用柴油发动机的基础上将氨燃料按照能量比0、10%、20%、30%、40% 进行掺混，将氨气与空气预先混合后吸入缸内，柴油以高压油束形式喷入缸内，使用仿真分析软件CONVERGE 建立燃烧室模型并进行仿真，探究氨替代率对柴油发动机燃烧及排放性能的影响，为车用柴油发动机掺氨燃烧改型应用提供理论依据。

1 研究方法

1.1 发动机参数及机理

本文以某柴油发动机作为研究对象，该发动机为直列六缸、四冲程，在国内商用车中广泛应用，其主要技术参数如表1所示。

仿真模型借鉴XU Leilei 等[20] 学者所提出的氨-正庚烷骨架化学动力学机理。通过联合解耦方法和优化算法，建立了一个包含69 个物种和389 个反应的骨架化机理。对氨/ 正庚烷混合物的点火延迟时间进行敏感性分析，确定了主要反应。采用遗传算法进一步优化了机理。将骨架机理的结果与文献中的其他机理进行比较后发现，该骨架机理能够很好地预测各种条件下的燃烧过程，并且计算效率高，适用于氨/ 正庚烷燃烧的建模。

1.2 模型介绍

运用CONVERGE 软件中Make surface 工具绘制发动机燃烧室线形，发动机每个汽缸含有7 个柴油喷孔，按照喷孔分布绘制出发动机气缸1/7 扇形区域模型，包括燃烧室、活塞顶部以及喷油嘴等。在燃料比例方面，以氨与柴油按照给定能量比的形式进行掺混，替代比分别为0%、10%、20%、30%、40%，分别对缸内燃烧以及排放性能进行仿真。

若令Q 为循环总燃料能量，m_D为额定工况下单循环喷油质量，u_LD 为柴油单位质量的能，则掺氨能量比为

湍流模型选择RNG k-ε 模型，雾化破碎模型选择KH-RT 模型，碰撞- 聚合模型选择NTC 模型，燃烧模型选择SAGE 模型，NO_x 排放模型选择Zel'dovich机理模型。边界条件见表2。

1.3 模型验证

试验台架使用曲轴转角传感器检测曲轴位置，同时采集气体分析仪与消光式烟度传感器的关键点排放数据后进行拟合。图1、图2、图3 所示为仿真模型与台架试验数据的对比。

由图可知：可以看出缸压数据峰值及其相位匹配都较好，排放物中NO 和碳烟（Soot） 生成曲线相位略有偏移，整体误差均在合理范围之内，燃烧模型与排放模型能够准确表征发动机的工作状况。

2 结果及分析

2.1 不同氨替代率对燃烧性能的影响

图4 为不同替代率下缸内平均温度随曲轴转角的变化情况。选取τ（NH3） 为0%、20%、40%，比较活塞经过CA（ATDC） 为0°、10°、16° 时刻的缸内温度分布，如图5 所示。缸内压力随掺氨能量比的变化情况如图6 所示。燃烧持续期与滞燃期随氨替代率变化的情况如图7 所示。

由图4可知：缸内平均温度随着氨替代率的增加呈下降趋势。随着氨替代率的增加，缸内温度分布变化趋势相同。从图4 中0° 时刻开始，掺氨后喷油起始阶段高温区域减少；10° 时未掺氨组的油束末端温度较高，掺氨组的喷油始端温度较高，掺氨后燃烧迟滞期延长，更多燃料在燃烧持续期放热；16° 时刻，随着氨替代率的上升，延燃烧室壁面分布的高温区域向油束内部转移。这是因为： 1） 氨燃烧的火焰传播速度慢，氨参与燃烧后直接降低了混合气的火焰传播速度； 2） 氨的起燃温度比柴油高，混合燃料达成燃烧条件较慢。

τ（NH₃） = 0%～40% 时，滞燃期有延长趋势，这是因为氨的起燃温度（920 K） 与柴油的起燃温度（480 K）相比更高，总能量不变的情况下加入氨减少柴油，混合燃料达成燃烧所需要的温度更高，但氨燃烧后温度较柴油低且火焰传播速度慢，因此滞燃期随之延长。τ（NH₃） = 0%～10% 期间， 氨的占比较低， 柴油主导燃烧过程，燃烧持续期的缩短与柴油的减少有关；τ（NH₃） = 10%～40% 时，氨的增加降低了混合燃料火焰传播速度，导致燃烧持续期的延长。

2.2 不同氨替代率对排放性能的影响

不同氨替代率下CO 的排放情况如图8 所示。由图8 可知：随掺氨能量比的增加CO 的排放量明显改善，τ（NH₃） = 40%、CA = 75° 时（ 排气门开启时刻） 可降低CO 排放41.6%。理论上CO 的减排量应与柴油被替代的含量成正相关，但柴油的不完全燃烧也会影响CO的生成量。如图8 所示，CO 生成量达到峰值后，随着燃烧进行，部分CO 转化为CO₂，但是随掺氨能量比的增加，缸内氧气浓度降低，CO 到CO₂ 的转化过程逐渐放缓。

图9 为不同氨替代率下在排气门开启时刻CO 分布情况的计算结果。由图9 可知：随着氨替代率的增加，高浓度CO 区域逐渐减少，这是由于随着氨替代率的增加降低了混合燃料中的含碳量；但随着氨替代率增加，从燃烧室底部向上延伸出部分低浓度CO 区域，且面积逐渐增加，这主要是因为氨加入燃烧后消耗部分氧气，在所形成的低氧区域内加剧了CO 的产生。

图10 是不同氨替代率下NO 生成量随曲轴转角的变化规律。图11 表示出不同氨替代率下在排气门开启时刻NO 的质量排放量分布情况。

由图10 可知：随着氨的加入，NO 生成量在循环内出现峰值，但随燃烧的进行下降至较低水平，τ（NH₃） = 40%、CA = 75° 时可降低NO 排放68.96% ；分析其原因，发动机燃烧过程NO 的形成主要有燃料型和热力型；NH₃ 完全燃烧只产生N₂ 和H₂O，但缸内燃料与氧气混合易出现不均匀的部分，该条件下NO 作为NH₃ 不完全燃烧的中间产物会有所增加，导致峰值的出现，此部分为燃料型NO ；热力型NO 主要受温度影响，掺氨后缸内平均温度下降会降低热力型NO 生成；并且未燃的氨会作为还原剂进一步与NO 反应，消耗NO，因此随着氨的加入，NO 先达到峰值后下降至低水平，且随替代率的增加上述作用逐渐增强。

由图11 可知：可以看出随氨替代率的提高，生成NO 的区域总面积减小，高NO 浓度区域缩小，这与掺氨后燃烧温度降低有关。

不同掺氨能量比下Soot 的生成与排放情况如图12所示。图13 为不同氨替代率下排气门开启时刻Soot分布。

由图12 可知：随着NH₃ 的加入，Soot 生成的峰值逐渐下降，氨替代率越高，峰值下降越明显，在τ（NH₃） = 10%时的排放量高于τ（NH₃） = 0%时的排放量，但随氨替代率的增加逐渐下降，τ（NH₃） = 20% 时排放量已低于τ（NH₃） = 0% 时，τ（NH₃） = 40%、CA=75° 时排放量较τ（NH₃） = 0% 时降低17.2%。

分析出现这一现象的原因，柴油机中燃烧温度与Soot 生成量的关系并不是线性的，而是呈现出一个相对复杂的趋势，这个关系大致可以分为3个阶段：

1） 低温区：在低温燃烧区，由于燃烧温度不足以促进燃料的有效燃烧，Soot 的形成速率较低。在这个区域，温度的升高会导致Soot 生成量增加，因为提供了更多的热能促进燃油分解成碳颗粒。

2） 中温区：当温度进一步升高，会进入到一个Soot 生成的“窗口”，在这个温度范围内，热解和部分氧化过程产生的碳颗粒量大于这些颗粒的氧化量，所以Soot 的生成量会达到峰值。

3） 高温区：当温度继续上升，高温会加速Soot 颗粒的氧化，导致Soot 生成量减少。如果温度足够高，几乎所有的Soot 颗粒都会被氧化掉，从而大幅减少Soot 的排放。

对缸内平均温度的分析中可知：当NH₃ 替代率从0增加到10% 时，缸内温度下降，因此原高温区域可被氧化的Soot 量降低，燃烧室底部高浓度Soot 区域增加（ 如图13 所示），因此Soot 生成量在替代率10% 时高于0% 时。τ（NH₃） = 10%～40% 时，Soot 生成量主要由混合燃料含碳量决定；随着NH₃ 替代率的增加，缸内混合燃料的含碳量下降（ 如图12 所示），燃烧过程中Soot 峰值生成量大幅下降，但高温分解Soot 这一过程因缸内温度降低而趋于平缓。

3 结论

本文研究了氨与柴油以不同能量比掺混燃烧的燃烧及排放性能，对其主要指标进行仿真和数值分析，得到的结论如下：

1） 随着氨替代率的提高，循环内平均温度与缸内压力有所下降，氨替代率为40% 时，平均温度峰值下降约203 K，缸内压力峰值下降约1.56 MPa。

2） 加入氨后，滞燃期因氨的起燃温度较高有所延长，氨替代率为40% 时滞燃期延长1.72° ；燃烧持续期呈先缩短后延长趋势，氨替代率为10% 时，滞燃期可缩短1.99°，40% 时燃烧持续期延长7.32°。

3） 掺氨燃烧后减排效果明显。CO、NO 和碳烟排放性能均有显著提高，氨替代率为40% 时，可降低CO、NO 和碳烟排放量41.6%、68.7% 和17.2%。柴油发动机掺氨燃烧对节能减排降碳具有积极意义。