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柴油/氨双燃料发动机在高压负载下空燃当量比影响的实验研究

一、研究作者与发表信息
本研究由美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的Daanish S. Tyrewala、Brian C. Kaul、Scott J. Curran和Derek A. Splitter合作完成，发表于《Proceedings of the Combustion Institute》第41卷（2025年），文章标题为《Experimental investigation of air-fuel equivalence ratio effects on advanced dual-fuel ammonia/diesel combustion on a single-cylinder medium-duty diesel engine at high load》。

二、学术背景
1. 研究领域与科学问题
本研究属于内燃机燃烧技术与清洁燃料应用领域，重点关注氨（NH₃）作为替代燃料在柴油发动机中的应用。氨因其零碳排放特性，被国际海事组织（IMO）视为减少航运业温室气体排放的重要候选燃料。然而，氨的低十六烷值（cetane number，约0）与高点火能量需求使其难以直接用于压燃式（CI）发动机。因此，研究团队探索采用柴油/氨双燃料（dual-fuel）模式，以柴油作为引燃燃料（pilot fuel），实现高效稳定的氨燃烧。

1. 研究动机
   目前双燃料氨燃烧研究多聚焦于低氨能量替代率（AES <70%），而高AES（>90%）条件下的燃烧特性与排放影响尚未充分探索。此外，空燃当量比（λ）对氨燃烧过程中氧化亚氮（N₂O）等关键排放物的影响机制尚不明确。因此，本研究旨在探究高AES条件下λ对柴油/氨双燃料燃烧性能的影响，并对比早期（E-pilot）与晚期（L-pilot）柴油喷射策略的差异。
   

三、实验方法与流程
1. 实验平台与燃料
- 发动机配置：采用单缸版本的Cummins 6.7 L ISB柴油发动机，压缩比20:1，缸径×行程107×124 mm。
- 燃料系统：高圧共轨直喷柴油（#2柴油，CN 40.8）与气态氨（化学纯无水NH₃）通过独立喷射系统供给。氨经汽化后通过Y型管道与进气混合，喷射压力为1000–1200 bar。
- 排放测量：利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）检测氮基排放物（NH₃、NOx、N₂O），并通过流量控制器精确控制进气量以调节λ值。

1. 实验设计

   • 操作条件：发动机转速1200 rpm，负载12.8±0.2 bar（75%负荷），进气温度60°C。
     
   • λ梯度设置：通过调整进气压力（Pintake）将全局λ控制在1.0–1.6，AES水平维持在90%–96%。
     
   • 喷射策略对比：
     
     • L-pilot（晚期喷射）：柴油喷射定时（SOI）在-9°至-3° ATDC（上止点后），模拟传统柴油引燃（DPI）模式。
       
     • E-pilot（早期喷射）：柴油SOI在-26°至-24° ATDC，模拟反应控制压缩着火（RCCI）模式。
       

2. 数据分析方法

   • 燃烧特性分析：通过缸压数据计算表观放热率（AHRR），结合喷雾穿透长度（L）与最大穿透距离（Lmax）的比值评估混合效果。
     
   • 排放折算：CO₂当量（CO₂,eq）包含实际CO₂与N₂O贡献（N₂O的全球增温潜势为CO₂的273倍）。
     
   • 无量纲参数：定义Da（Da=CA5–50/点火延迟）作为混合时间尺度与化学反应时间尺度的比值，用于关联燃烧模式与排放特性。
     

四、主要研究结果
1. 燃烧特性差异
- L-pilot策略：在λ=1.4时，放热曲线呈现典型的“双峰”特征，表明柴油引燃后氨/空气混合气的快速燃烧。喷雾穿透分析显示，较低的λ（1.0–1.1）使柴油喷雾更深入燃烧室，促进了局部反应区的均质化。
- E-pilot策略：所有λ条件下均观测到低温放热（LTHR），但λ=1.0–1.1时燃烧不稳定性显著增加（循环变动COVIMEP>4%）。

1. 排放与效率

   • CO₂当量减排：双燃料模式在λ=1.4时CO₂,eq较纯柴油（CDC）降低75%，其中N₂O贡献随λ降低而减少（例如L-pilot在λ=1.4时N₂O为45 ppm，λ=1.6时为120 ppm）。
     
   • 氮基排放：未燃NH₃排放（>6500 ppm）普遍高于NOx，但在λ=1.4时NOx出现峰值（约800 ppm），可能与局部高温区促进燃料氮转化有关。
     

2. Da*的规律性
   L-pilot策略中，Da*与氮基排放呈强相关性：Da*≈1时（λ=1.4），NOx达到峰值而N₂O最低；而E-pilot因LTHR的存在导致Da*与排放无明确关联。

五、研究结论与价值
1. 科学意义
- 首次系统揭示了高AES（>90%）下λ对氨/柴油双燃料燃烧的影响机制，明确了λ=1.4为优化CO₂,eq与热效率的临界点。
- 提出Da*参数为双燃料燃烧模式的判据，为后续燃烧控制策略开发提供了理论工具。

1. 应用价值
   本研究为航运业实现IMO减排目标提供了技术路径：通过调整λ与喷射策略，可在高氨替代率下兼顾排放与效率，无需改造现有涡轮增压系统。
   

六、研究亮点
1. 创新性方法：结合FTIR与喷雾动力学分析，量化了N₂O生成路径（NO+NH→N₂O+H）。
2. 工程指导性：证明晚期喷射（L-pilot）在高负载下更具鲁棒性，而早期喷射（E-pilot）需进一步优化以提升低λ稳定性。

七、其他发现
实验中未燃NH₃的高浓度（>6500 ppm）提示其可作为选择性催化还原（SCR）系统的天然还原剂，但需精确控制NH₃/NOx比例以避免氨逃逸。