《燃料》（Fuel）期刊于2023年5月24日在线发表了题为《基于氢气点火室的氨-甲醇射流点火可视化研究》（Visualization investigation of jet ignition ammonia-methanol by an ignition chamber fueled H2）的研究论文，通讯作者为大连理工大学的董东升副教授（邮箱：dds20122014@163.com）。该研究团队来自大连理工大学能源与动力工程学院（中国大连，116024）及大连理工大学洛阳研究院（中国洛阳，471000），主要作者包括魏福星、王鹏、曹建林、龙武强等。

学术背景

在全球变暖危机加剧的背景下，氨气（NH3）作为零碳燃料因其高能量密度、高辛烷值（RON=110）和易存储特性备受关注。然而，氨气狭窄的可燃范围（15.15–27.35%）和低火焰传播速度（10 cm/s）制约了其在内燃机中的应用。为解决这一问题，研究者提出两种策略：
1. 高活性燃料掺混：例如与甲醇（CH3OH，火焰传播速度52.3 cm/s）混合以提升燃烧速率；
2. 高能点火技术：如射流控制复合点火（Jet-Controlled Compound Ignition, JCCI）。
本研究首次将氢气（H2）点火室射流点火与氨-甲醇混合燃料相结合，通过可视化实验探究了氢气能量替代比（Hydrogen Energy Substitution Ratio, Ri）、甲醇掺混比（Methanol Blend, Rm）及点火室孔径（Orifice Diameter, D）对燃烧特性的影响。

研究方法与流程

1. 实验平台搭建

研究团队改造了定容燃烧室（Constant Volume Combustion Chamber, CVCC）系统，核心装置包括：
- 可视化系统：100W光源、高速摄像机（10,000 fps，分辨率836×488像素）及阴影成像光学路径；
- 点火室设计：容积6 mL，通过单孔（直径3/4.⁵⁄₆ mm可调）与500 mL主燃烧室连通；
- 控制系统：Kistler压力传感器（测量点火室与主室压力）、PID温控系统（初始条件523 K，1.2 MPa）。

2. 燃料特性对比

研究选取氨、甲醇和氢气的物化参数进行对比（表1）：
- 甲醇优势：含氧量50%，汽化潜热（1109 kJ/kg）高于氨气（1370 kJ/kg），可降低燃烧温度；
- 氢气优势：超高火焰传播速度（300 cm/s）和宽泛可燃范围（5–75%），适合作为点火室燃料。

3. 实验设计

实验采用部分压力法配制混合气，保持总燃料能量（Et）恒定，变量包括：
- Ri（1%/2%/3%）：点火室氢气能量占比；
- Rm（0%/10%/30%/50%）：主室甲醇能量占比；
- D（3/4.⁵⁄₆ mm）：点火室孔径；
- 当量比（φ=0.⁸⁄₁.0）：模拟贫燃与化学计量比条件。

4. 数据分析方法

通过以下指标评估燃烧性能：
- 射流延迟（Jet Delay）：火花塞点火至射流出现的时间；
- 燃烧持续时间（Combustion Duration）：主室压力上升至峰值的时间；
- 压力上升率：反映燃烧速率；
- 火焰传播图像分析：量化火焰前锋运动轨迹。

主要结果

1. JCCI与传统火花点火（SI）对比

• 燃烧持续时间缩短47.7%：在φ=1.0时，JCCI仅需85 ms，而SI为162.4 ms；
  
• 贫燃性能优越：φ=0.8时，JCCI燃烧持续时间比SI减少52.2%（图5）；
  
• 火焰结构差异：JCCI形成湍流射流，火焰传播速度显著提升（图3）。
  

2. 氢气能量替代比（Ri）的影响

• 最优Ri选择：φ=1.0时Ri=1%可最短射流延迟（15.2 ms）；φ=0.8时需Ri=2%（图9）；
  
• 机理分析：过高Ri会减少点火室空气量，降低燃烧效率（图8）。
  

3. 甲醇掺混比（Rm）的作用

• 燃烧加速效应：Rm从0%增至50%时，燃烧持续时间减少42.1%（图13）；
  
• 火焰结构变化：甲醇增加导致射流接触面积扩大，促进湍流混合（图10）。
  

4. 点火室孔径（D）的优化

• 3 mm孔径最佳：相比6 mm孔径，φ=1.0和0.8时燃烧持续时间分别降低63.4%和54.3%（图16）；
  
• 射流模式差异：小孔径（3 mm）形成活性自由基主导的复合点火，大孔径（6 mm）为火焰核主导的射流点火（图14）。
  

结论与价值

1. 科学价值：揭示了氢气射流点火与甲醇掺混对氨燃烧的协同优化机制，为氨燃料发动机设计提供理论支撑；
   
2. 应用价值：JCCI技术可实现氨燃料高效贫燃，降低碳排放，适用于船舶、发电等重型动力装置；
   
3. 创新点：
   
   • 首次将氢气点火室与氨-甲醇混合燃料结合；
     
   • 通过可视化实验量化了Ri、Rm、D的多参数耦合效应；
     
   • 提出小孔径（3 mm）复合点火模式，突破传统射流点火局限。
     

研究亮点

1. 方法创新：开发了高精度阴影成像系统，捕获微秒级火焰传播动态；
   
2. 工程指导：明确了最优Ri需根据φ动态调整（如贫燃需更高Ri）；
   
3. 跨学科意义：融合燃烧化学与流体力学，为碳中和燃料开发提供新思路。
   

（注：文中所有实验数据可通过通讯作者申请获取，研究受国家重点研发计划（2022YFB4300700）和智能农装国重实验室（SKT2022010）资助。）