学术研究报告：预燃室射流点火与甲烷添加对氨/空气混合气燃烧特性的可视化研究

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为Jiangping Tian（大连理工大学内燃机研究所），合作者包括Xiaolei Zhang、Zechuan Cui等。研究发表于期刊《Fuel》第338卷（2023年），文章编号127204，在线发布于2022年12月31日。

二、学术背景
氨（ammonia）作为一种零碳绿色燃料，因其储运便利性和高能量密度受到关注，但其化学活性低、火焰传播速度慢，在内燃机中的应用面临挑战。为提升氨的燃烧效率，研究团队聚焦两种策略：
1. 预燃室射流点火（pre-chamber jet ignition）：通过预燃室产生的高能射流火焰实现多点引燃，增强湍流扰动，拓宽可燃极限。
2. 甲烷掺混（methane addition）：利用高活性燃料甲烷改善氨的燃烧性能。

研究目标包括：(1) 对比射流点火与火花直接点火（spark direct ignition）的效果；(2) 探究不同当量比（equivalence ratio, φ）下氨/空气混合气的燃烧特性；(3) 评估小比例甲烷添加（10%和20%）对燃烧的促进作用。

三、研究方法与流程
1. 实验平台
- 定容燃烧室（Constant Volume Combustion Chamber, CVCC）：主腔容积486 mL，预燃室容积6 mL，喷孔直径3 mm，配备加热系统与光学窗口。
- 可视化系统：采用阴影成像技术（shadowgraph）和直接摄影法（direct photography），高速摄像机帧率20,000 fps，结合压力传感器（Kistler 6054B）同步采集压力数据。
- 实验参数：初始压力（0.8 MPa、1.1 MPa）、温度（450 K、500 K）、当量比（0.7–1.3）、甲烷掺混比例（0%、10%、20%）。

1. 实验流程
   
   • 混合气制备：根据道尔顿分压定律控制氨、空气、甲烷的比例。
     
   • 点火与数据采集：预燃室火花塞引燃后，射流火焰进入主腔，记录火焰传播过程与压力变化。
     
   • 数据分析：
     
     • 火焰动力学参数：火焰纵向穿透速度（vl）、横向传播距离（lm）、未燃区面积（su）。
       
     • 燃烧性能指标：点火延迟时间（ignition delay）、燃烧持续时间（combustion duration）、平均压力上升率（average pressure rise rate）。
       

四、主要结果
1. 射流点火 vs. 直接点火
- 燃烧稳定性：在贫燃条件（φ=0.8）下，射流点火的压力曲线重复性显著优于直接点火（图7 vs. 图9），表明其可提升低当量比下的燃烧稳定性。
- 燃烧加速：射流点火使φ=0.8时的点火延迟缩短77.2%，燃烧持续时间缩短61.4%（图11），归因于射流火焰的湍流扰动与多点引燃效应。

1. 当量比的影响

   • 最优当量比：φ=1.0–1.1时平均压力上升率最高（图18），燃烧持续时间最短（图17）。
     
   • 火焰传播机制：燃烧持续时间主要由火焰横向传播速度决定，射流点火对其影响较小（图14）。
     

2. 甲烷添加的效果

   • 促进作用递减：甲烷掺混从0%增至10%时，燃烧性能提升显著（如0.8 MPa下点火延迟缩短37.4%），但继续增至20%时改善有限（仅进一步缩短13.7%）（图25）。
     
   • 压力依赖性：初始压力升至1.1 MPa时，甲烷的促进作用减弱（图23），因高压抑制了火焰传播速度（式2）。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了射流点火通过增强纵向火焰速度（vl）缩短燃烧时间，但横向传播速度受当量比主导的机制。
- 明确了小比例甲烷添加（10%）的经济性优势，为燃料优化设计提供依据。

1. 应用价值
   
   • 为氨燃料内燃机的点火系统设计（如预燃室结构优化）和掺混燃料比例选择提供实验支撑。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：结合阴影成像与压力同步采集，实现了燃烧过程的多参数动态解析。
2. 发现新颖性：首次报道了高压下甲烷对氨燃烧的促进作用递减效应（图26）。
3. 工程指导性：提出“横向火焰传播距离最小化”可作为氨内燃机燃烧室设计的优化方向。

七、其他发现
- 射流点火在φ=0.8时仍能保持与φ=1.0相近的火焰纵向速度（图13），但未燃区面积较大导致燃烧持续时间延长（图14），提示需进一步优化预燃室喷孔布局以改善横向火焰传播。