刘海峰，王冠月，文铭升，明镇洋，崔雁清，尧命发
喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机燃烧稳定性影响研究
刘海峰，王冠月，文铭升，明镇洋，崔雁清，尧命发
(天津大学先进内燃动力全国重点实验室，天津 300072)
基于一台光学发动机，在1200r/min转速下，采用进气道低压喷射氨气，缸内高压直喷高活性正十二烷的双燃料燃烧模式，应用火焰高速成像方法，研究了喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机缸内燃烧的影响规律．结果表明，直喷燃料喷射压力降低，导致正十二烷浓度分层增大，自燃着火点增多，更有利于正十二烷引燃均质预混合的氨气；
直喷压力在30MPa和60MPa工况下，火焰初期NH3燃烧的橘色火焰占主导，之后呈现正十二烷预混蓝色火焰与NH3橘色火焰叠加现象；
在90MPa喷射压力下，火焰发展初期正十二烷预混蓝色火焰占主导，随着燃烧发展NH3橘色火焰的比例逐渐增多．在30MPa喷射压力下，缸内直喷正十二烷可以实现90%氨气比例的稳定着火，但是燃烧反应速率过低，燃烧持续期过长．进气温度从100℃升高到125℃后，自燃着火点数量增加，氨双燃料燃烧反应速率提高，放热率峰值增大；
然而进气温度进一步从125℃提高到150℃时，对燃烧压力和放热率影响很小．上述研究表明，较低的直喷燃料喷射压力和适当提高进气温度更有利于氨燃料的稳定着火以及燃烧速率的提升和氨在双燃料中占比的提高．
双燃料发动机；
氨气；
正十二烷；
喷射压力；
光学诊断
在碳达峰与碳中和发展目标下，氢气、氨气等无碳燃料成为内燃机行业研究的热点课题．氨气作为一种无碳燃料，是一种良好的氢能载体[1]，同时又有氢气所不具备的高稳定性、低储存成本等优势[2]，成为近些年内燃机行业研究重点之一．
氨含有17%的氢，液态氨的体积能量密度约是液态氢的3倍[3]．在储存、运输和分配方面，液氨比氢气更加方便和安全．氨很容易在常温常压下液化；
而氢气需要在环境温度下以相对较高压力(24821kPa)，或在冷却到20K的极低温下以液体形式储存[4]．但是氨作为燃料的缺陷也十分明显[5]．相比于化石燃料，氨具有较高的自燃温度和较低的层流燃烧速度，氨的这些特性使氨以单一燃料方式在发动机中燃烧应用的难度较大，因此氨燃料应用的可行方式之一是双燃料燃烧．
在点燃式发动机中，虽然压缩比较低，但是由于火花塞点火可为氨燃料的燃烧提供点火能量，因此也能够保证氨气的稳定燃烧．此外，氨与其他高活性燃料的双燃料燃烧策略能够解决氨燃料火焰传播速度较慢的问题．Grannell等[6-7]发现70%氨和30%汽油混合后，可以在一台增压点火发动机上运行良好；
氨气排放量与燃料中的氨掺混量呈比例，而CO和UHC则随着汽油比例的增加而增加．Frigo等[8]进行了不同负荷下氨和汽油混合燃烧试验，研究表明，同等条件下，氨和汽油混合燃烧的功率低于纯汽油燃烧的功率，但燃油消耗率更优．近年来，氨-氢双燃料点燃模式获得了更多学者的关注，这是因为氢燃烧时的火焰传播速度较快，能够弥补氨较低的火焰传播速度，从而提高燃烧稳定性[9-12]．
在压燃式发动机中，1966年Gray等[13]将液氨直接喷入CFR(cooperative fuel research)发动机进行压燃，测出氨成功自燃的压缩比在35∶1，并且发现只有当液氨的喷射不晚于上止点前80°CA时，才能观察到火焰燃烧．之后Gray等在CFR发动机上研究了氨和柴油混合燃料的燃烧，稳定着火的最小压缩比在15.2∶1，显著降低了纯氨压燃对高压缩比的依赖．Pearsall[14]采用向进气系统供应氨气，缸内直喷少量柴油引燃氨气的方法，实现氨气稳定着火．Reiter和Kong[15]研究发现，进气系统中引入氨并注入柴油或生物柴油的双燃料方式，可以实现最大95%氨比例的双燃料燃烧．楚育纯[16]为了使氨在压燃式发动机中稳定燃烧，在氨气中加入了助燃剂丙烷，并引入极少量柴油进行辅助引燃，在不改变现有发动机压缩比的情况下保证了起燃的可靠性．德国MAN与芬兰Wartsila两大全球船用低速机占比95%的企业，也正在开发氨气-柴油双燃料发动机，无论是低压喷射氨技术还是上止点附近高压喷射氨技术，均使用了柴油作为引燃燃料[17]．
基于以上研究，并结合氨燃料自身的燃烧特性，可以发现双燃料模式是氨燃料压燃应用的有效燃烧方式之一．先前研究探明了直喷燃料的喷射特性对双燃料发动机的影响规律[18-19]，但是氨双燃料不同条件下的着火稳定性和火焰发展特征研究鲜有报道，制约了氨发动机性能的提升．因此，本文利用进气道喷射氨气、缸内直喷正十二烷引燃氨气的双燃料燃烧模式，通过观察火焰图像，研究边界条件对氨气在缸内稳定燃烧的影响机制，进而提出高比例氨气在压燃式发动机内稳定燃烧的控制策略．研究对氨-柴油双燃料发动机燃烧理论和控制技术发展具有重要意义．
1.1 光学发动机及高速摄像系统
试验使用的光学发动机由一台4缸、自然吸气轻型柴油机(4冲程)改造而来，除了第3缸留下作为工作缸，其余3缸不工作．光学发动机装配和结构示意如图1所示，发动机结构参数见表1．
如图1所示，首先改造后的光学发动机工作缸的缸套为可移动独立式缸套，能够实现缸套的快速安装与拆卸，这样方便内部石英窗口的清洗．工作缸搭配单独的进气加热和冷却水系统．活塞采用加长式结构，在加长活塞下方设置了45°紫外反光镜，燃烧室底部为石英玻璃，发生燃烧时火焰信号能通过反光镜传到高速相机(Photron SA5)．由于燃烧室石英玻璃的限制，光学发动机不能采用太高压缩比，以免爆压过高导致玻璃破裂．光学发动机压缩比为11，燃烧室结构与可视化范围如图2所示．
（a）装配图 （b）工作缸结构示意
图1 光学发动机装配图和工作缸结构示意
Fig.1 Assembly diagram of optical engine and structure diagram of working cylinder
表1 光学发动机基本结构参数
Tab.1 Basic structural parameters of optical engine
图3为火焰高速成像工作原理，M代表反光镜，W代表活塞顶部的玻璃视窗与环形石英玻璃窗口.试验过程中电控单元(ECU)接收曲轴转角信号并等待燃油喷射控制系统的喷油命令，当燃油喷射控制系统发出喷油命令时，电控单元将信号传给喷油器，使喷油器喷油，同时通过脉冲延时触发器(DG535，Stanford Research)将拍照命令传给高速相机实现一次喷雾燃烧信息的采集．光学发动机燃油喷射系统由博世的高压共轨缸内喷油器(DI)和低压进气道喷油器(PI)两套燃油喷射系统组成，缸内直喷喷油器有6个喷孔，每个喷孔直径为150μm，如图2所示，喷油器偏离于燃烧室中心，喷雾锥角为150°；
进气道采用低压氨气喷射阀，喷射压力为0.46MPa，喷射时刻为-330°CA ATDC．高速相机使用F/1.4光圈、50mm焦距的尼康镜头，帧率与分辨率设定为20000帧/s和512×512像素，在发动机转速1200r/min下，每张图像间隔为0.36 °CA．
图2 燃烧室结构和可视区域示意
图3 光学发动机高速成像工作原理
1.2 发动机运行工况与试验燃料
试验过程中，发动机每隔20个循环喷一次油，这样一方面防止玻璃受损，另一方面降低反光镜及玻璃窗口的受污染程度．试验基准控制参数如下：冷却水温在95℃，每循环喷油总量控制为35.94mg柴油．气道喷射氨气，直喷高活性燃料为正十二烷．正十二烷十六烷值达到87，显著高于传统柴油的十六烷值52和正庚烷的十六烷值56．氨气与正十二烷的燃料特性如表2所示．
研究设置多组对比试验，每组试验设置3组重复性试验，试验方案如表3所示，其中温度为进气温度，压力表示缸内燃料喷射压力．设置125℃进气温度、喷射压力60MPa为对照组，进气道喷射氨气，形成均质混合气，缸内直喷正十二烷，形成分层的混合气，从照片上看缸内会形成顺时针的涡流．首先控制进气温度在125℃，改变喷油压力分别为30MPa和90MPa，与对照组进行对比，研究缸内引燃燃料喷射压力对氨气/正十二烷在缸内燃烧的影响；
然后控制喷射压力为60MPa，改变进气温度分别为100℃和150℃，与对照组进行对比，研究进气温度对氨气/正十二烷缸内燃烧火焰发展的影响．
表2 燃料特性参数[20-22]
Tab.2 Fuel properties parameters[20-22]
表3 试验方案
Tab.3 Test plan
在每组试验最后，在氨气-正十二烷热量比例为6∶4的基础上，尽可能增加氨气比例，探究不同边界条件能够达到的最大氨气比例，从而实现更大比例氨燃料的稳定压燃，更大程度降低碳排放，表3中给出了不同条件下的试验工况．
2.1 不同喷油压力对氨气/正十二烷燃烧的影响
图4为-30°CA ATDC喷射时刻下，30MPa、60MPa、90MPa喷油压力的缸压和放热率．图中氨气与正十二烷比例为6∶4与图中虚线所示的无氨燃料喷射的缸压和放热率相比，由于氨气的自燃性差，氨气的加入明显推迟了着火时刻(图中实线所示)．对比不同喷油压力的缸压放热率曲线可以看到，当气道有氨气喷射时、随着直喷燃料喷射压力的升高，燃烧压力和放热率峰值逐渐降低、燃烧持续期延长；
而气道没有氨燃料喷射时，直喷燃料的喷射压力对缸内燃烧压力和放热率影响很小．表明直喷压力对氨双燃料条件下燃烧放热的影响更显著．
图4 在125℃进气温度和-30°CA ATDC喷射时刻下，30MPa、60MPa、90MPa喷射压力的缸压和放 热率
Fig.4 Cylinder pressure and heat release rate at -30°CA ATDC injection timing and 125℃ intake tem-perature with different injection pressures of 30MPa，60MPa and 90MPa
图5为125℃进气温度、-30°CA ATDC喷油时刻下，喷油压力30MPa、60MPa、90MPa时燃烧图像．由于喷油器偏置，因此可以看到图像上方的火焰形状更加明显．图中表明，混合气以多点自燃的方式在靠近燃烧室壁面区域率先形成自燃着火点，这是因为由于氨气着火困难、使正十二烷的滞燃期延长，高活性燃料喷雾混合气在喷射的动量下不断向下游发展，在-30°CA ATDC的直喷时刻下导致燃油撞壁并在近壁面附近区域形成合适的当量比浓度，进而诱发该区域先行着火[23]．随着直喷燃料喷射压力升高，自燃着火点逐渐减少．喷油压力的增加，导致缸内浓度分层和活性分层逐渐降低，这是因为喷油压力的增大，使燃料喷雾的动量较大，可以携带周围更多的空气，增强空气-燃料混合气的混合，导致局部当量比降低[24]，因此不能将氨气很好地引燃．自燃点的减少意味着燃料反应速率降低，火焰充满燃烧室的时间延长，燃烧持续期延长，导致放热率峰值降低．燃烧室壁面附近的自燃着火点以火焰传播的方式发展，同时新的自燃点不断产生，火焰逐渐向燃烧室中心发展．到燃烧中期，火焰的颜色为正十二烷的预混蓝色火焰与橘色火焰叠加，橘色发光为NH3的火焰发光，主要是由NH2a和过热水光谱引起的[25]．最后直到火焰充满整个燃烧室．
图5还表明，在喷油压力30MPa和60MPa条件下，火焰最初呈现明显NH3燃烧的橘色火焰，之后火焰颜色呈现预混蓝色火焰与氨气橘色火焰叠加现象；
而喷油压力90MPa时，火焰发展初期大部分是预混蓝色火焰，只能观测到小部分橘色火焰，随着火焰的发展橘色火焰比例逐渐增多，越来越多的氨气被引燃．在喷油压力90MPa工况，正十二烷雾化效果更好，同时氨气的低活性使滞燃期延长，让氨和正十二烷燃料与空气充分混合，正十二烷局部当量比和活性降低，导致正十二烷自燃困难，氨气不能很好地被引燃，因此喷射压力90MPa时燃烧初期的火焰主要是正十二烷自燃占主导的蓝色火焰，而低喷射压力下则是局部高能量的正十二烷自燃后引燃周边低活性氨气的过程，因此燃烧初期火焰是NH3燃烧发光主导．这为后面喷油压力30MPa时将氨气/正十二烷比例提高到9∶1奠定了理论基础．
图5 喷油时刻-30°CA ATDC和进气温度125℃下不同喷油压力的燃烧图像
图6为125℃进气温度、30MPa喷油压力工况下氨气/正十二烷比例为6∶4和9∶1在-25°CA ATDC和-20°CA ATDC喷射的缸压和放热率图线．可以看出高比例的氨气使缸内燃烧持续期延长，燃烧压力显著降低．由于作为引燃的正十二烷比例减少，增加了引燃NH3的难度，同时氨气极低的层流火焰速度大大降低了缸内燃烧反应速率，上述两个原因导致缸压和放热率峰值大幅度降低，着火延迟增加.
图7为30MPa喷油压力和-20°CA ATDC喷油时刻下，氨气与正十二烷比例为9∶1的燃烧图像，由于燃烧火焰的图像亮度过低，为了更清楚地观察，将图像进行了亮度放大4倍处理．在其他的缸内燃油喷射时刻下发动机失火，主要是因为高比例的氨气大大增加了滞燃期，过早的喷油提前角使正十二烷在缸内的局部当量比过低，不能引燃氨混合气；
而过迟的喷油提前角使着火时刻后移，此时的活塞已经远离上止点，缸内的压力和温度已经达不到混合气着火的条件，因此不能成功着火．
图6 在125℃进气温度、30MPa喷油压力下氨气与正十二烷比例为6∶4和9∶1时缸压和放热率
以燃烧较好的喷射时刻-20°CA ATDC工况为例，在上止点后3.96°CA时，第1次出现微弱的火焰自燃点，并且火焰自燃着火点很少，同时受到氨气层流火焰速度的影响，火焰的发展速度相对缓慢，从着火开始到火焰布满整个燃烧室经过了25.2°CA．火焰发展初期，在壁面附近形成自燃着火点，之后火焰逐渐向四周扩散，相比于6∶4的比例，9∶1的氨气/正十二烷燃烧的火焰发展以火焰传播方式为主，尤其是燃烧室中心缺少高活性燃料的分布，几乎没有形成新的自燃着火点．由于直喷正十二烷比例从40%降低到10%，所以图7中缸内燃烧以氨气橘色火焰为主，只能看到一小部分的预混蓝色火焰．可见，缸内正十二烷可以实现90%氨气比例的稳定着火，而相同工况下笔者先前试验研究发现，使用活性较低的正庚烷作为引燃燃料最高氨气稳定着火的比例只有60%．
图7 喷油压力30MPa、进气温度125℃、喷射时刻 -20°CA ATDC时氨气与正十二烷比例为6∶4和9∶1的燃烧图像
2.2 不同进气温度对氨气/正十二烷燃烧的影响
已有研究表明，适当提高进气温度增强了缸内的热氛围，促进压燃着火，改善燃料燃烧的稳定性[26].因此，本部分研究提高进气温度后对氨燃料着火及燃烧速率的改善作用．图8为喷射压力为60MPa、 -30°CA ATDC喷油时100℃、125℃、150℃进气温度的燃烧压力和放热率，氨气/正十二烷比例为6∶4. 当进气温度从100℃上升到125℃时，可以看到出现自燃着火点的时间提前，压力升高率、缸压和放热率峰值都显著提高，这是因为进气温度的提高使缸内热氛围能够更快达到混合气的着火界限．但当进气温度进一步从125℃上升到150℃时，缸压与放热率曲线并没有明显变化．这可能是在125℃温度以上，正十二烷的混合速率受温度影响很小，热扩散作用不显著，主要还是依赖湍流的混合，因此导致更高的150℃进气温度下，对NH3的引燃作用差异很小，燃烧压力和放热率之间差异也就很小.
图8 在喷油压力60MPa、喷油时刻-30°CA ATDC时不同进气温度下的缸压和放热率
图9为100℃、125℃、150℃3个进气温度的燃烧图像．从缸压放热率看，125℃与150℃进气温度燃烧始点几乎没有区别，但燃烧图像上150℃燃烧始点比125℃提前2.16°CA，二者之间火焰发展速度相近，而100℃进气温度下着火延迟更长．
从图9(a)可以看到，从-1.80°CA ATDC直到7.92°CA ATDC附近，火焰才充满整个燃烧室，整个火焰发展阶段持续接近10°CA；
而另外两个更高进气温度的工况火焰发展阶段持续7°CA左右．3个工况均是在壁面附近形成自燃着火点，随后火焰一边以火焰传播的方式发展，一边在燃烧室内形成更多的自燃着火点，从而使火焰向燃烧室中心发展．从火焰颜色来看，进气温度100℃时燃烧初期的火焰颜色接近橘色火焰与蓝色火焰的叠加，该状态持续到燃烧后期．进气温度125℃与150℃的火焰颜色接近，燃烧初期火焰为橘色火焰；
随着火焰的发展，预混蓝色火焰越来越明显，相比于100℃进气温度工况，这两种工况的火焰亮度更高，这是因为进气温度的提高有助于提高燃料燃烧反应速率．
图9 在喷油压力60MPa、喷油时刻-30°CA ATDC时不同进气温度的燃烧图像
(1)对于氨与正十二烷能量比例为6∶4的双燃料燃烧，喷油压力的改变对缸内的燃烧影响显著．随喷油压力升高，正十二烷雾化改善，局部当量比减小，氨气更难被引燃，燃烧初期的火焰颜色由氨燃烧的橘黄色为主导转变为正十二烷预混燃烧产生的蓝色火焰为主导；
随着直喷燃料喷射压力提高，自燃着火点比例减少，燃烧反应速率降低，燃烧持续期延长，放热率峰值降低．
(2)在30MPa的喷射压力下，缸内直喷高活性的正十二烷燃料可以观察到90%氨气比例燃烧的火焰图像，燃烧发展以火焰传播方式为主，尤其是燃烧室中心缺少高活性燃料的分布，几乎没有形成新的自燃着火点．因此导致高氨气比例下的燃烧持续期延长，燃烧压力显著降低．
(3)进气温度从100℃上升到125℃时，氨气与正十二烷的双燃料燃烧始点提前，缸压和放热率峰值显著增大；
当进气温度从125℃上升到150℃时，缸内火焰发展特征基本不变，两种工况的放热规律基本一致．因此适当提高进气温度有利于氨燃料的稳定着火，而过高进气温度对氨双燃料燃烧的改善不明显.
(4)从氨双燃料发动机控制看，更低的直喷燃料喷射压力、适当提高进气温度更有利于氨燃料的稳定着火以及燃烧速率提升和氨在双燃料中占比的提高.
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Influence of Injection Pressure and Intake Temperature on Combustion Stability of Ammonia/n-Dodecane Dual-Fuel Engine
Liu Haifeng，Wang Guanyue，Wen Mingsheng，Ming Zhenyang，Cui Yanqing，Yao Mingfa
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
In this paper，based on an optical engine，a dual-fuel combustion mode of ammonia injection at low pressure and n-dodecane injection at high pressure in the cylinder was developed at 1200r/min speed. The ammonia/n-dodecane ratio was set as 6∶4. The effect of injection pressure and intake air temperature on the combustion of ammonia/n-dodecane in the cylinder was analyzed by the high-speed flame imaging method. The results are as follows. The decrease of injection pressure led to the more obvious concentration stratification of n-dodecane and an increased number of auto-ignition points，which is favorable to the ignition of NH3by n-dodecane. At the direct injection pressure of 30MPa and 60MPa，the orange flame of NH3combustion was dominant in the initial stage，and then the superposition of blue fame of premixed n-dodecane combustion and orange flame of NH3combustion occurred. Under the injection pressure of 90MPa，the blue flame of premixed n-dodecane combustion dominated in the early stage of flame development，and the proportion of orange flame gradually increased with the development of combustion. Under the working condition of 30MPa injection pressure，the ignition of ammonia/n-dodecane with the ratio of 9∶1 was achieved in the optical engine，but with a low combustion reaction and a long combustion duration. Besides，the increase of intake temperature from 100℃ to 125℃ increased the number of auto-ignition points，the reaction rate of dual fuel combustion and the peak heat release rate. But the combustion improvement was not obvious when the intake gas temperature increased from 125℃ to 150℃. The above research shows that lower injection pressure of direct injection fuel and proper increase of intake temperature are more conducive to the stable ignition of ammonia fuel，the rise of combustion rate and the increase of the proportion of ammonia in the dual fuel.
dual fuel engine；
ammonia；
n-dodecane；
injection pressure；
optical diagnosis
TK421.2
A
1006-8740(2024)01-0001-08
2022-11-18．
国家自然科学基金资助项目(52130605)；
国家自然科学基金创新群体资助项目(51921004).
刘海峰(1981— )，男，博士，教授，haifengliu@tju.edu.cn.
刘海峰，男，博士，教授，haifengliu@tju.edu.cn；
文铭升，男，博士，mingshengwen@tju.edu.cn.
(责任编辑：隋韶颖)
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