学术研究报告：氨/氢/柴油混合燃料在柴油机中的环境影响与燃烧效率综合评估

一、研究团队与发表信息
本研究由广西科技大学机械与汽车工程学院的张志清、胡静仪、杨大勇（通讯作者）及集美大学轮机工程学院的殷子彬（共同通讯作者）等合作完成，发表于能源领域期刊《Energy》第303卷（2024年），文章标题为《A comprehensive assessment over the environmental impact and combustion efficiency of using ammonia/hydrogen/diesel blends in a diesel engine》。

二、学术背景与研究目标
柴油机因动力性能强、经济性高而广泛应用于交通与工程领域，但其依赖化石燃料且排放氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）等污染物，面临严格的环保法规（如欧盟欧VII标准）挑战。为减少碳排放并探索零碳燃料，氨（NH₃）和氢（H₂）因无碳特性成为研究热点。然而，纯氨燃烧存在点火延迟、未燃氨排放高等问题，而氢气的高活性可弥补氨的缺陷。本研究旨在通过模拟四缸四冲程柴油机，评估不同氨能量替代率（AESR, 10%–50%）和氢能量替代率（HESR, 0%–8%）对燃烧性能及排放的影响，优化混合燃料比例。

三、研究方法与流程
1. 模型构建与验证
- 工具：使用CONVERGE_STUDIO_V3.0软件建立三维燃烧模型，包含100种化学组分和480个反应，采用理想气体状态方程。
- 网格独立性分析：对比1 mm、2 mm和4 mm网格精度，最终选择2 mm网格以保证计算效率与准确性。
- 验证：基于卡特彼勒（Caterpillar）四缸柴油机实验数据（转速1500 rpm），验证模型的缸压与放热率（HRR）曲线，最大相对误差为2.8%，符合工程要求。

1. 燃料设计与实验方案

   • 燃料参数：对比柴油、氨和氢的理化性质（如低热值、点火温度），设计26组正交实验（表3），如A10D90H0表示10% AESR、0% HESR。
     
   • 模拟条件：全负荷工况下，采用低压双燃料（LPDF）模式，氨/氢与空气预混后进入气缸，柴油直接喷射。
     

2. 关键模型与方法

   • 燃烧模型：采用SAGE详细化学反应机理，模拟预混与非预混燃烧。
     
   • 排放模型：NOx生成基于Zeldovich机制，碳烟（soot）采用Hiroyasu-NSC经验模型。
     
   • 喷雾模型：KH-RT联合模型模拟液滴破碎，壁膜模型处理油滴碰撞。
     

四、主要研究结果
1. 燃烧特性
- 缸压与HRR：10%–30% AESR时，缸压峰值略高于纯柴油（因氨热值更高），但50% AESR时下降20.3%。添加氢气（HESR 2%–8%）可提升缸压，但点火延迟增加（氢自燃温度高）。
- 缸温分布：20% AESR时峰值温度最高（比纯柴油高0.73%），50% AESR时最低（低7.09%）。氢的加入促进燃料混合均匀性，提高燃烧温度。

1. 排放特性
   
   • 未燃氨：AESR从10%增至50%时，未燃氨浓度从22.35%升至41%。添加4% HESR（A10D86H4）可减少未燃氨排放10,791.4 ppm。
     
   • NOx与碳烟：50% AESR使NOx降低54.01%，碳烟减少38.83%。氢气虽略微增加NOx，但整体仍低于纯柴油。
     
   • CO₂：氨的零碳特性使CO₂排放最大降低56.73%，氢气对CO₂无显著影响。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值：揭示了氨/氢/柴油混合燃料的燃烧与排放机制，证实氢气可有效改善氨的低反应性，减少未燃氨排放。
2. 应用价值：推荐AESR 10%与HESR 4%的混合比例（A10D86H4），在保证动力性能的同时显著降低NOx（减少79.31 ppm）和未燃氨（较A50D50H0降低107,296.27 ppm）。该混合燃料适用于公共交通、船舶等领域，助力碳中和目标。

六、研究亮点
1. 创新方法：首次结合CONVERGE软件与SAGE化学反应模型，模拟氨/氢/柴油复杂燃烧过程。
2. 多目标优化：通过正交实验设计，平衡燃烧效率与排放控制，提出最优燃料配比。
3. 工程指导性：为柴油机低碳化改造提供具体技术路径，减少对SCR（选择性催化还原）等后处理技术的依赖。

七、其他发现
高温区域集中在燃油束中部两侧，燃烧后期沿壁面扩散。未来可结合废气再循环（EGR）技术进一步降低NOx。