氨/柴油双燃料发动机RCCI燃烧模式的数值模拟研究

作者及发表信息

本研究由Amir Hossein Fakhari（伊朗科学与技术大学机械工程学院）、Ayat Gharehghani（通讯作者，同单位）、Mohammad Mahdi Salahi和Amin Mahmoudzadeh Andwari（芬兰奥卢大学机械与车辆设计组）合作完成，发表于期刊Fuel第365卷（2024年），文章编号131182，2024年2月12日在线发布。

学术背景

研究领域：内燃机低碳燃烧技术，聚焦氨（NH₃）作为零碳燃料在反应活性控制压缩点火（Reactivity Controlled Compression Ignition, RCCI）发动机中的应用。

研究动机：
1. 环境需求：传统柴油机氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放问题严峻，而氨因不含碳、储运便利，成为船舶及重型机械脱碳的关键候选燃料。
2. 技术挑战：氨的燃点高（651°C）、火焰传播速度慢，易导致燃烧不完全及未燃NH₃排放，且其燃烧会生成强温室气体N₂O（温室效应为CO₂的300倍）。
3. 燃烧模式创新：RCCI结合高活性燃料（柴油）与低活性燃料（氨）的分层燃烧特性，可扩展运行负荷范围并降低排放，但氨基RCCI的研究尚属空白。

研究目标：
通过数值模拟探究氨能量占比（30%-80%）、柴油喷射正时（20-80° BTDC）及进气阀关闭温度（TIVC，420-480K）对发动机燃烧特性（缸压、热释放率、燃烧效率）及排放（NOx、CO、N₂O等）的影响，优化氨/柴油RCCI模式。

研究方法与流程

1. 数值模拟框架
- 软件工具：采用CFD软件CONVERGE v3.1，结合NH₃/正庚烷简化化学反应动力学机制（389个反应、69种物种）。
- 模型验证：基于单缸重型Caterpillar 3400发动机实验数据（BMEP=8.10 bar），对比缸压、热释放率（HRR）及CO₂/N₂O排放曲线，误差在合理范围（图3-4）。

2. 关键参数设计
- 燃料特性：柴油（低热值45 MJ/kg）与氨（18.64 MJ/kg）的物性对比详见表2。
- 网格与边界条件：自适应网格加密（AMR）技术，基础网格尺寸0.002 m；模拟周期从进气阀关闭（IVC）至排气阀打开（EVO）。

3. 实验设计
- 变量控制：
- 氨能量占比（30%-80%）：探究燃烧效率（CE）、指示平均有效压力（IMEP）的变化。
- 喷射正时与TIVC：分析燃烧相位（CA10/CA50/CA90）、燃烧持续期（CD）及排放的协同影响。
- 数据处理：通过SAGE瞬态化学动力学求解器计算物种质量分数，结合RNG k-ε湍流模型及KH-RT喷雾模型。

主要结果

1. 氨能量占比的影响
- 燃烧特性：氨占比从30%增至70%时，IMEP提升（图8），但80%时因燃烧不完全导致CE下降11%（图7）。缸压峰值随氨占比增加而降低，且燃烧相位延迟（图5）。
- 排放表现：
- NOx：降低50%以上（图9），因NH₃燃烧的燃料型NOx主导，且热力脱硝（thermal denox）在膨胀阶段减少NO。
- 温室气体：CO₂随氨占比增加线性下降（图13），但N₂O在80%时因不完全燃烧骤增（113→461 g/kW·h）。

2. 喷射正时与TIVC的协同效应
- 燃烧模式转变：喷射正时提前至50° BTDC时，燃烧从双燃料模式转为RCCI模式（图15），燃烧持续期缩短20%（图20）。
- 温度敏感性：TIVC升至480K可显著减少未燃NH₃（图26），但NOx排放因高温热力型NOx生成而增加（图23）。

结论与价值

科学价值：
1. 首次系统量化了氨/柴油RCCI模式下燃烧与排放的权衡关系，揭示了N₂O与NOx的此消彼长特性（图14）。
2. 提出70%氨能量占比为最优工况，兼顾IMEP（9.5 bar）与低排放（NOx g/kW·h，CO₂<200 g/kW·h）。

应用价值：
为船舶及重型发动机的氨燃料化提供了可行的燃烧控制策略，通过调节喷射正时与TIVC可实现近零碳运营。

研究亮点

1. 方法创新：首次将NH₃/正庚烷简化动力学机制耦合至RCCI模拟，解决了氨燃烧反应路径的建模难题。
   
2. 发现新颖性：
   
   • 喷射正时提前至50° BTDC可引发RCCI模式自发转变（图17 OH自由基分布）。
     
   • N₂O排放与燃烧温度呈非线性关系（图10），为后续催化后处理指明重点。
     

局限与展望：需进一步实验验证高负荷下的燃烧稳定性，并开发针对NH₃/N₂O的SCR（选择性催化还原）后处理系统。

（注：全文引用图表编号均与原文献一致，术语如RCCI、TIVC等首次出现时标注英文原词。）