NH3-PODE3 双燃料发动机HCII 燃烧特性的光学诊断

毛建树，马 骁，马 跃，王 志，张翼霄，帅石金

（清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084，中国）

近年来随着全球气候变暖，各国对于碳排放的要求也越来越严格，目前已经有140 多个国家和地区承诺在2050 年前后实现碳中和[1]，中国也提出了相应的双碳目标。氨作为零碳燃料，其完全燃烧的产物只有水和氮气，被认为是一种清洁的能源，近年来成为全世界的研究热点。此外，氨还具有廉价易得、易挥发、易液化、便于贮运[2-3]、高辛烷值（＞111）等优点，使用氨作为发动机燃料可以采用更高的压缩比。氨作为一种氢能的良好载体，含氢量达17.7%[1,4]。但是，氨的燃烧特性较差，点火能量很高（常温常压下为680 mJ），层流火焰速度低（常压下约7 cm/s，而常规碳氢燃料一般为30～50 cm/s），可燃范围小（与空气混合着火极限体积分数为16.1%～25%）[5]。因此，研究如何提高氨的燃烧特性是制约氨能否作为发动机能源广泛应用的关键所在。

为了解决氨着火困难、燃烧特性差的问题，目前有一些研究者尝试采用双燃料燃烧模式。双燃料燃烧模式可以同时利用高十六烷值燃料（如柴油）和高辛烷值燃料（如汽油）的理化特性，其中高十六烷值燃料称为引燃燃料，高辛烷值燃料称为预混燃料。E.Gray 等[6]于1966 年首次研究了柴油-氨双燃料燃烧特性，证明了在较低压缩比（15.2）下氨平稳燃烧的可能性。2008年J.A.Reiter 和C.S.Kong[7]研究了柴油-生物柴油直喷引燃进气道喷射氨气的内燃机燃烧特性，试验测试了最大95%的氨气能量替代率，研究结果表明，当维持发动机输出转矩相同时，随着氨比例的增加，CO2排放单调减少，且当氨气的能量替代率不超过60%时，NOx排放水平很低。2011年J.A.Reiter 等[3]研究了氨-柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性，发现当负荷减小为最大负荷的20%时，燃烧效率会降低到70%附近，且未燃氨排放可达体积分数浓度10-2（即104ppm）以上，且随着柴油能量比例增加，CO2排放和碳烟（Soot）排放均会大幅增加。2016 年Y.Niki 等[8]在一台压缩比为20:1 的柴油机上，也对不同氨气比例下的内燃机燃烧和排放特性进行了测试，发现氨的加入虽可以减少二氧化碳的排放，但是柴油作为引燃燃料仍然存在较多的二氧化碳排放。2022 年A.Yousefi 等[9]也对柴油-氨双燃料发动机的燃烧特性进行了研究，发现在相同的负荷下，当氨的能量比例增加到40%时，燃烧效率会降低到65%以下。综上所述，目前针对氨双燃料发动机的研究中引燃燃料主要使用传统的碳氢燃料，仍然存在一定的碳烟排放及CO2排放问题，且高氨能量比例及小负荷下，氨的燃烧效率会急剧降低，未燃氨排放增加，因此氨的稳定、高效及清洁燃烧仍面临巨大挑战。

为了提高氨的燃烧特性，同时还要兼顾碳排放的问题，双燃料燃烧模式中引燃燃料的选择必须同时具备优良的着火特性以及碳中性或零碳的特点。聚甲氧基二甲醚(polyoxy-methylene dimethyl ethers,PODEn)是一种燃烧特性优良的碳中性燃料，其分子结构式为CH3O(CH2O)nCH3，十六烷值高（当n＞ 1 时大于60），不含直接的碳碳键燃烧不易生成碳烟[10-11]，因此可以作为氨双燃料燃烧模式中一种优良的引燃燃料。清华大学马跃等[12]研究发现，当PODEn与柴油的混合比例达到50%以上时，在所有的测试工况下几乎都没有碳烟的产生。天津大学TONG Laihui等在针对PODEn-汽油双燃料发动机的研究中发现，即使PODEn的能量比例高达50%，碳烟排放仍然极低[13]。

由上述可知，双燃料燃烧模式可以解决氨着火难、燃烧慢的问题，PODEn作为引燃燃料同时具备优良的着火特性和碳中性的特点，氨作为无碳燃料是一种实现双碳目标理想的燃料。但是目前并没有针对氨-PODEn双燃料燃烧相关研究报道，也缺乏关于氨双燃料发动机的光学诊断研究。根据已有文献研究，PODEn在内燃机中应用最佳的聚合度为3～4[14]，且目前只有PODE3已经开发出详细的化学反应动力学机理[15]，因此本文设想选取PODE3作为引燃燃料，并且选择小负荷工况及高氨能量比例，对氨-PODE3的均质混合气引燃（homogeneous charge induced ignition,HCII）燃烧模式的燃烧特性进行光学诊断研究。

1 试验台架及试验条件

1.1 试验台架系统

本试验在一台光学发动机上进行，同时利用高速相机对缸内火焰图像进行记录。光学发动机系统如图1 所示。

图1 光学发动机试验系统

光学发动机油底壳和曲轴系统由一个单缸柴油机改造而成，缸盖和进排气系统由一个长城GW4D20柴油机的缸盖和进排气系统改造而成，试验中使用原机第2 缸进行单缸机试验。光学发动机的相关参数如表 1 所示。试验用PODE3喷油器为GW4D20 原机7 孔喷油器，配备一套高压油泵共轨系统，PODE3采取缸内直喷方式，氨气由进气道喷射。缸内废气经过两级水箱系统排出，以吸收未完全燃烧的氨气。试验中缸套和缸盖中通有90℃循环水，并保持温度恒定。

表1 光学发动机相关参数

由于石英视窗不能承受长时间工作，试验中每个工况点重复20 个循环，发动机达到试验转速并稳定后，每隔5 个循环进行一次有效试验。试验中采用Photron公司生产的FASTCAM SA-Z 彩色高速相机记录缸内火焰燃烧图像，设置频率为7 200 帧/ s，曝光时间设置为(1/7 285 s)，由于发动机转速为1 200 r/min，因此每相邻两张图像之间的时间间隔为曲轴转角（crank angle，CA）1°。

1.2 试验条件

实验中的具体条件参数如表2 中所示。试验中PODE3喷射压力恒定为p(PODE3)=80 MPa，喷射脉宽保持为Δt=400μs，PODE3喷射时刻α(PODE3) 分别为上止点后（after top dead center，ATDC）CA -20°、-15°、-10°、-5°；氨喷射压力恒定p(NH3)=0.5 MPa，氨喷射时刻α(NH3)固定为ATDC CA -330°。经试验标定，单次试验中PODE3喷射质量m(PODE3)及氨喷射质量m(NH3) 如表 2 所示。试验中保持m(PODE3)恒定，以所喷射的PODE3总热值Q(PODE3)为基础，分别计算出所喷射的氨的总热值Q(NH3)(按低热值计算)相对于Q(PODE3)的比例（A）。各试验工况下的燃空当量比φ如表2 中所示。

表2 试验条件具体参数

2 光学诊断图像及分析

2.1 缸压曲线和光学机燃烧图像的对应关系

图2 给出了PODE3喷射时刻为ATDC CA=-10°条件下，NH3能量占比A=0%、154%的缸压曲线、放热率曲线与光学机燃烧图像的对应关系。图中A～F点对应的曲轴转角（以压缩上止点为CA 0°）分别为CA=-4°、-3°、-1°，1°，4°以及12°。G～L图像对应的曲轴转角与A～F相同。其中A～F对应NH3能量占比A=0%工况，G～L对应NH3能量占比A=154%工况。

图2 缸压曲线和光学机燃烧图像（α(PODE3) CA（ATDC）=-10 °）

在图2b 中，图像A 为NH3能量占比A=0%时的着火点图像，从图中可以看出存在7 个明显的着火点，且集中在缸内外围区域；图像B 对应放热率最高的点，其燃烧图像中对应火焰面积最大；随后图像C、D、E的火焰面积急剧下降，火焰亮度也急剧下降，至图像F时已基本观察不到火焰图像。在图2c 中（NH3能量占比A=154%），至图像H 时才出现着火点，这说明氨的加入增加了PODE3的着火落后期，且相较图像A，图像H 着火面积小，着火亮度低;图像I 对应放热率最高的点，此时火焰面积大，火焰亮度最强;图像J、K的火焰面积与图像I 相比没有明显区别，并且火焰位置和火焰形状相差也不大，但是火焰亮度逐渐降低；至图像L 时仍能观察到些微亮度，这是因为氨的火焰传播速度低，所以在小负荷及高氨比例下很难观察到明显的火焰传播现象，并且氨的反应活性低，所以与PODE3相比燃烧持续期会大大加长。可见，从光学机燃烧过程图像中不仅可以观察到着火落后期，燃烧持续期的区别，还可以发现火焰图像颜色的区别，PODE3的火焰颜色主要呈蓝色，而加入氨后的火焰颜色主要呈橙黄色，这是因为氨燃烧产物NH2自由基的α光谱化学发光的颜色主要呈橙黄色[16]。由图可知，PODE3燃烧的图像中没有发现有明显碳烟生成，且少量的PODE3即可引燃大量的氨预混合气使其发生明显燃烧，因此利用PODE3作为氨双燃料燃烧模式的引燃燃料具有良好的引燃特性。

2.2 光学机燃烧图像分析

图3 为不同PODE3 喷射时刻下NH3能量占比A=0%、154%的光学机燃烧过程图像，除α(PODE3) CA=-20°以外，所有图像增强倍数均相同。由于α(PODE3)CA=-20°时，增强相同倍数时火焰图像太暗，因此该工况点的图像增强倍数更高。从图像中可以看出，当α(PODE3) CA=-20°时，图像中只有少数分散的着火点，并未发生明显的大面积燃烧；当α(PODE3) CA=-15°时，可以观察到明显的火焰燃烧图像，但是着火点面积较小，燃烧面积也较小；当α(PODE3) CA=-10°时，着火图像和燃烧图像均得到明显改善，当α(PODE3)CA=-5°时，着火图像和燃烧图像与α(PODE3) CA=-10°相比区别不明显。这可能是因为随着喷射角度更加靠近上止点，喷射时缸内温度和压力更高，所喷射的PODE3燃料在缸内扩散混合的时间更短，引燃燃料分布更加集中，着火时更加集中，且着火点面积更大，从而引燃氨的效果也更好。由结果可知，在所有的喷射时刻下，加氨工况与不加氨工况相比着火落后期和燃烧持续期均增加。

图3 不同PODE3 喷射时刻下的光学机燃烧过程图像

图4 为不同氨能量占比下的光学机燃烧过程图像，其中α(PODE3) CA=-10°。由图可知，随氨能量比例增加，出现燃烧相位的时刻逐渐滞后。当NH3能量占比A=77%时，首先出现火焰的图像时刻虽然相同，但是着火面积明显减少，火焰亮度也减少。综合来看，A=77%时，火焰面积和火焰亮度最大，随氨能量比例继续增加，燃烧反而恶化，这说明在给定DI 喷射时刻的前提下，适当的氨能量比例可以优化燃烧相位、促进燃烧，即氨-PODE3的HCII 模式存在最佳氨-PODE3能量比。

图4 不同氨能量占比下的光学机燃烧过程图像（（α（PODE3）CA（ATDC）=-10 °）

3 燃烧特性分析

3.1 缸压、放热率及指示平均压力(IMEP)试验结果

不同PODE3喷射时刻下，加氨与不加氨工况的缸压曲线和放热率曲线如图 5a 所示，图 5b 显示了PODE3喷射时刻α(PODE3)，CA（ATDC）=-10°下，不同氨能量比例(A)的试验结果。

图5 缸压曲线和放热率曲线

由图 5a 可知，随着PODE3喷射时刻靠近上止点，NH3能量占比为0%与154%条件下放热率峰值均增加，缸内压力峰值先增加后降低，说明喷射时刻对燃烧过程有重要影响；且喷射时刻相同时，154% NH3能量占比相较0% 条件下放热率峰值降低，说明氨的加入抑制了PODE3的燃烧放热过程。结合缸压曲线与放热率曲线可知，当α(PODE3) CA=-15°时及 NH3能量占比A=154%时，由于氨的抑制作用使得放热过程整体更加靠近上止点，从而使得缸内峰值压力高于NH3 能量占比为0%的工况。而当α(PODE3) CA=-5°时，由于氨的抑制作用使得原本更加靠近上止点的放热过程远离上止点，从而导致缸内峰值压力降低。由于氨对引燃燃料的燃烧存在抑制作用，因此可以适当提前引燃燃料的喷射角度以加速燃烧。当α(PODE3) CA=-20°及 NH3能量占比A=0%时，放热率曲线呈现单阶段放热的特点，而NH3的A=154%时则出现了2 阶段放热的特点，第1阶段放热的原因是PODE3自身燃烧放热，由于此时活塞位置离上止点较远，因此缸内温度和压力较低，PODE3燃烧放热不足以引燃氨使其发生明显燃烧；随着活塞位置靠近上止点，缸内温度和压力升高，氨逐渐被引燃并发生燃烧，因此出现了第2 个放热率峰值。

由图 5b 可知，随着氨能量占比增加，缸内压力峰值与放热率峰值均呈现先增后减的趋势，说明适量的氨能量比例能促进燃烧的进行，而过量的氨能量比例反而会抑制燃烧的进行，这与图 4 中光学机燃烧过程图像的分析相符合，进一步说明在给定DI 喷射角度下氨-PODE3的HCII 模式存在最佳的能量比，燃料供给策略需要综合优化。

图6 显示了不同PODE3喷射时刻以及不同氨能量占比下的指示平均压力(indicated mean effective pressure，IMEP)试验结果。由图6a可见，随着PODE3喷射时刻逐渐靠近上止点，NH3能量占比A=0%、154%工况下IMEP 均逐渐增加，且喷射时刻相同时，A=154%相较0%条件下IMEP 有明显增加，特别是当α(PODE3) CA=-20°时，IMEP 发生了大幅度的增加。当α(PODE3) CA=-15°时，IMEP 增加276.5%，超过了氨的能量比例，而当α(PODE3) CA=-10°、-5°时，IMEP 分别增加了134.6%和111.8%，低于氨的能量比例。

图6b 显示了不同氨能量占比（A）的IMEP 试验结果，由图可见，随A的增加，IMEP 也随之增加，但是增幅逐渐减小，当A由77%增加到308%时，IMEP相对A=0%的增幅分别为79.0%，134.6%，190.1%及203.5%，只有A=77%时，IMEP 增幅大于氨能量比例，说明适当的氨能量比例不仅不会降低热效率，反而有助于提高热效率，与前文结论类似。

图6 不同PODE3 喷射时刻及不同氨能量占比下的IMEP试验结果

燃烧相位对IMEP 有显著的作用。图 7 为不同PODE3喷射时刻与不同NH3能量占比下的CA50 试验结果。当α(PODE3) CA=-20°时，由于此时缸内温度和压力相较其他喷射时刻下更低，且较早的喷射时刻使得PODE3在缸内扩散混合得更加充分，导致适宜首先着火的区域活性下降，加之氨对PODE3着火和燃烧的抑制作用，因而显著推迟了着火相位，加长了燃烧持续期，具体结果见图 8a 所示，使得此时CA50 相较α(PODE3) CA=-15°时更加靠近上止点。当NH3能量占比A由0%提高到154%且当α(PODE3) CA=-20°时，CA50 由CA -8.1°变为 -1.3°，从而显著提升了IMEP。当α(PODE3) CA=-15°、-10°、-5°时，CA50 均有约3°的推迟，因此，IMEP 均有所增加。

由图 7b 可知，随氨能量占比A增加，CA50 推迟的曲轴转角不断增加。因此，氨的加入会推迟燃烧相位，进而影响发动机的燃烧和做功过程。

图7 不同PODE3 喷射时刻与不同NH3 能量占比下的CA50 试验结果

3.2 着火落后期与燃烧持续期试验结果

本文以CA10 作为着火点，以CA10-α(PODE3)作为着火落后期，以CA90-CA10 作为燃烧持续期，不同工况下的着火落后期与燃烧持续期试验结果如图 8 所示。由图 8a 可知，在各种PODE3喷射时刻下，加入氨与不加氨工况相比着火落后期与燃烧持续期均增加，在α(PODE3) CA=-20°时，着火落后期延迟约4°，而其他喷射时刻下着火落后期均延迟约2°。随着喷射时刻α(PODE3)从CA -20°延迟至-10°时，着火落后期与燃烧持续期逐渐降低，而在α(PODE3) CA=-10°、-5°时，着火落后期与燃烧持续期非常接近，原因可能是α(PODE3) CA=-10°时，虽然缸内的温度和压力较α(PODE3) CA=-5°时更低，但是引燃燃料混合的时间更长，混合更充分，从图 5a 中也可以看出2 种工况下的放热率曲线形状除了燃烧相位上的差别外非常相似。由图 8b 可知，随氨能量占比A增加，着火落后期和燃烧持续期均增加，但是当A=77%时，着火落后期和燃烧持续期相比A=0%时增加不多，但继续提高氨能量占比时，着火落后期和燃烧持续期增加显著，这也是A=77%时IMEP 增幅基本与氨能量占比相同的原因之一。

图8 着火落后期与燃烧持续期试验结果

4 结论

本文通过光学发动机以及高速摄影对不同PODE3喷射时刻以及不同氨能量占比下的NH3-PODE3双燃料发动机HCII 模式的燃烧特性进行了光学诊断研究，得到以下结论：

1）利用PODE3引燃氨不会有碳烟生成，且少量的PODE3即可引燃大量的氨预混合气使其发生明显燃烧，因此，利用PODE3作为引燃燃料具有良好的引燃特性；

2）由光学机燃烧过程图像可知，加入氨后，缸内火焰图像由以蓝色为主变为以橙黄色为主，且随着PODE3喷射时刻逐渐靠近上止点，火焰图像面积和火焰亮度均增加。随着氨能量占比增加，火焰图像面积和火焰亮度先增加后降低；

3）随着PODE3喷射时刻逐渐靠近上止点，放热率峰值逐渐增加，缸内压力峰值先增加后降低；对于相同的喷射时刻加氨工况与无氨工况相比，放热率峰值降低。氨的加入会推迟燃烧相位；在固定直喷喷射时刻为CA -10°的工况中，随着氨能量占比增加，放热率峰值先增加后降低，说明NH3-PODE3的HCII 模式存在最佳的能量比。

4）由着火落后期与燃烧持续期试验结果可知，随PODE3喷射时刻逐渐靠近上止点，着火落后期与燃烧持续期先降低后几乎不变。随氨能量占比增加，着火落后期与燃烧持续期均增加。