柴油/氨双直喷发动机喷雾与燃烧特性的数值与实验研究学术报告
本研究由Tao Li、Chunguang Wang（西安交通大学能源与动力工程学院）、Zhanming Chen*、Ding Luo、Hao Chen（长安大学陕西省新能源汽车与汽车节能重点实验室）合作完成，发表于2025年的《Energy》期刊（Volume 338, 138853）。研究聚焦于零碳燃料氨（NH₃）在内燃机中的应用，通过实验与数值模拟相结合的方法，系统探究了柴油/氨双直喷模式下喷雾、点火、燃烧及排放特性与喷油器空间布置角度的关联性。
学术背景
在全球“碳达峰与碳中和”目标驱动下，内燃机技术正向高效、清洁化转型。氨作为零碳燃料，具有储运便利、无碳氢化合物（UHC）、一氧化碳（CO）及颗粒物（PM）排放的优势，但其作为单一燃料存在自燃温度高、火焰传播速度慢、氮氧化物（NOx）排放高等问题。为此，研究者提出柴油/氨双燃料模式，利用高活性柴油引燃氨。然而，传统进气口氨喷射方式存在替代率低、工况范围窄等问题。本研究创新性地采用双直喷（dual direct injection）策略，通过优化喷油器空间角度布局，提升燃烧效率并降低污染物排放。
研究流程与方法
研究分为实验与数值模拟两大部分，具体流程如下：
1. 实验平台搭建与参数设置
- 设备：采用定容燃烧室（CVCC，Constant Volume Combustion Chamber）可视化实验平台，配备高速摄像机（Fastcam Mini AX200）及Schlieren光学路径系统，捕捉喷雾与火焰形态。
- 喷油器布局：两套喷油器以90°和180°夹角布置，固定碰撞距离，模拟柴油与氨喷雾的交互作用。
- 实验条件：喷射压力（60/80/100 MPa）、环境温度（550 K喷雾实验/800 K燃烧实验）、环境压力（4 MPa），以模拟发动机缸内高压状态。
- 图像处理：通过MATLAB程序提取喷雾宏观参数（液相/气相碰撞长度LCL/VCL、碰撞宽度LCW/VCW、投影面积LSPA/VSPA）及火焰特性参数（点火延迟ID、燃烧持续时间CD、KL因子）。
2. 数值模拟验证与扩展
- 模型构建：基于CONVERGE软件建立CVCC三维模型，采用自适应网格加密技术，导入n-庚烷/氨化学反应机理（Xu et al. 2023）。
- 验证环节：对比实验与模拟的喷雾形态、喷雾尖端穿透距离（STP），误差控制在5%以内，确保模型可靠性。
- 扩展研究：模拟60°、90°、120°、150°喷油器布局，分析喷雾索特平均直径（SMD）、湍流动能（TKE）、能量耗散率（EPS）及污染物生成分布。
主要结果
喷雾特性
- 角度影响：180°碰撞喷雾的轴向/径向扩散速率低于90°，其液相碰撞长度（LCL）减少8–20%，气相碰撞宽度（VCW）降低15–17%，但湍流动能（TKE）更高，促进雾化。
- 喷射压力：高压（100 MPa）下，喷雾反向压缩区更显著，动量损失率降低，扩散速率提升。
燃烧特性
- 点火与燃烧：180°布局点火延迟延长7–25%，但燃烧持续时间缩短9–13%，火焰面积减小，KL因子降低10–23%，表明碳烟氧化速率更快。
- 温度与排放：大角度（150°）布局下，燃烧温度降低，NOx、未燃NH₃、CO和碳烟排放分别减少，但N₂O排放因低温区域增加而上升。
微观机理
- 雾化增强：180°碰撞的韦伯数（Weber number）更高，液滴拉伸分离占主导，SMD减小32%，湍流效应增强48%。
- 污染物控制：OH自由基生成减少，CH₂O和NH₂中间产物浓度下降，抑制了NOx的生成路径。
结论与价值
- 科学价值：揭示了喷油器空间角度通过改变喷雾碰撞动力学（如动量损失、湍流强度）影响燃烧效率的机制，为双燃料发动机设计提供理论依据。
- 应用价值：大角度（如180°）布局可优化缸内混合气均匀性，适用于长冲程大缸径发动机；小角度（如60–150°）布局适合紧凑型发动机，需权衡排放与热效率。
研究亮点
- 方法创新：首次结合CVCC实验与CONVERGE模拟，量化喷油器角度对双燃料喷雾-燃烧耦合特性的影响。
- 发现新颖：明确180°碰撞喷雾的湍流增强效应可同时降低碳烟和NOx排放，突破传统氨燃料高污染瓶颈。
- 工程指导：提出“空间角度-喷射压力”协同优化策略，为氨/柴油双直喷发动机的实用化提供关键技术路径。
其他价值
研究还发现，延迟柴油喷射正时（DIT）可进一步降低碳烟排放，但需避免NOx升高，未来需探索多参数协同控制。数据可通过请求获取，代码与模型参数已部分公开。