噴油壓力和進(jìn)氣溫度對(duì)氨/正十二烷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性影響研究

劉海峰，王冠月，文銘升，明鎮(zhèn)洋，崔雁清，堯命發(fā)

噴油壓力和進(jìn)氣溫度對(duì)氨/正十二烷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性影響研究

劉海峰，王冠月，文銘升，明鎮(zhèn)洋，崔雁清，堯命發(fā)

(天津大學(xué)先進(jìn)內(nèi)燃動(dòng)力全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

基于一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，在1200r/min轉(zhuǎn)速下，采用進(jìn)氣道低壓噴射氨氣，缸內(nèi)高壓直噴高活性正十二烷的雙燃料燃燒模式，應(yīng)用火焰高速成像方法，研究了噴油壓力和進(jìn)氣溫度對(duì)氨/正十二烷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響規(guī)律．結(jié)果表明，直噴燃料噴射壓力降低，導(dǎo)致正十二烷濃度分層增大，自燃著火點(diǎn)增多，更有利于正十二烷引燃均質(zhì)預(yù)混合的氨氣；直噴壓力在30MPa和60MPa工況下，火焰初期NH3燃燒的橘色火焰占主導(dǎo)，之后呈現(xiàn)正十二烷預(yù)混藍(lán)色火焰與NH3橘色火焰疊加現(xiàn)象；在90MPa噴射壓力下，火焰發(fā)展初期正十二烷預(yù)混藍(lán)色火焰占主導(dǎo)，隨著燃燒發(fā)展NH3橘色火焰的比例逐漸增多．在30MPa噴射壓力下，缸內(nèi)直噴正十二烷可以實(shí)現(xiàn)90%氨氣比例的穩(wěn)定著火，但是燃燒反應(yīng)速率過低，燃燒持續(xù)期過長．進(jìn)氣溫度從100℃升高到125℃后，自燃著火點(diǎn)數(shù)量增加，氨雙燃料燃燒反應(yīng)速率提高，放熱率峰值增大；然而進(jìn)氣溫度進(jìn)一步從125℃提高到150℃時(shí)，對(duì)燃燒壓力和放熱率影響很?。鲜鲅芯勘砻?，較低的直噴燃料噴射壓力和適當(dāng)提高進(jìn)氣溫度更有利于氨燃料的穩(wěn)定著火以及燃燒速率的提升和氨在雙燃料中占比的提高．

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；氨氣；正十二烷；噴射壓力；光學(xué)診斷

在碳達(dá)峰與碳中和發(fā)展目標(biāo)下，氫氣、氨氣等無碳燃料成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)研究的熱點(diǎn)課題．氨氣作為一種無碳燃料，是一種良好的氫能載體[1]，同時(shí)又有氫氣所不具備的高穩(wěn)定性、低儲(chǔ)存成本等優(yōu)勢[2]，成為近些年內(nèi)燃機(jī)行業(yè)研究重點(diǎn)之一．

氨含有17%的氫，液態(tài)氨的體積能量密度約是液態(tài)氫的3倍[3]．在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和分配方面，液氨比氫氣更加方便和安全．氨很容易在常溫常壓下液化；而氫氣需要在環(huán)境溫度下以相對(duì)較高壓力(24821kPa)，或在冷卻到20K的極低溫下以液體形式儲(chǔ)存[4]．但是氨作為燃料的缺陷也十分明顯[5]．相比于化石燃料，氨具有較高的自燃溫度和較低的層流燃燒速度，氨的這些特性使氨以單一燃料方式在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒應(yīng)用的難度較大，因此氨燃料應(yīng)用的可行方式之一是雙燃料燃燒．

在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，雖然壓縮比較低，但是由于火花塞點(diǎn)火可為氨燃料的燃燒提供點(diǎn)火能量，因此也能夠保證氨氣的穩(wěn)定燃燒．此外，氨與其他高活性燃料的雙燃料燃燒策略能夠解決氨燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢的問題．Grannell等[6-7]發(fā)現(xiàn)70%氨和30%汽油混合后，可以在一臺(tái)增壓點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)行良好；氨氣排放量與燃料中的氨摻混量呈比例，而CO和UHC則隨著汽油比例的增加而增加．Frigo等[8]進(jìn)行了不同負(fù)荷下氨和汽油混合燃燒試驗(yàn)，研究表明，同等條件下，氨和汽油混合燃燒的功率低于純汽油燃燒的功率，但燃油消耗率更優(yōu)．近年來，氨-氫雙燃料點(diǎn)燃模式獲得了更多學(xué)者的關(guān)注，這是因?yàn)闅淙紵龝r(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，能夠彌補(bǔ)氨較低的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，從而提高燃燒穩(wěn)定性[9-12]．

在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，1966年Gray等[13]將液氨直接噴入CFR(cooperative fuel research)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行壓燃，測出氨成功自燃的壓縮比在35∶1，并且發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)液氨的噴射不晚于上止點(diǎn)前80°CA時(shí)，才能觀察到火焰燃燒．之后Gray等在CFR發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了氨和柴油混合燃料的燃燒，穩(wěn)定著火的最小壓縮比在15.2∶1，顯著降低了純氨壓燃對(duì)高壓縮比的依賴．Pearsall[14]采用向進(jìn)氣系統(tǒng)供應(yīng)氨氣，缸內(nèi)直噴少量柴油引燃氨氣的方法，實(shí)現(xiàn)氨氣穩(wěn)定著火．Reiter和Kong[15]研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣系統(tǒng)中引入氨并注入柴油或生物柴油的雙燃料方式，可以實(shí)現(xiàn)最大95%氨比例的雙燃料燃燒．楚育純[16]為了使氨在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中穩(wěn)定燃燒，在氨氣中加入了助燃劑丙烷，并引入極少量柴油進(jìn)行輔助引燃，在不改變現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的情況下保證了起燃的可靠性．德國MAN與芬蘭Wartsila兩大全球船用低速機(jī)占比95%的企業(yè)，也正在開發(fā)氨氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，無論是低壓噴射氨技術(shù)還是上止點(diǎn)附近高壓噴射氨技術(shù)，均使用了柴油作為引燃燃料[17]．

基于以上研究，并結(jié)合氨燃料自身的燃燒特性，可以發(fā)現(xiàn)雙燃料模式是氨燃料壓燃應(yīng)用的有效燃燒方式之一．先前研究探明了直噴燃料的噴射特性對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的影響規(guī)律[18-19]，但是氨雙燃料不同條件下的著火穩(wěn)定性和火焰發(fā)展特征研究鮮有報(bào)道，制約了氨發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升．因此，本文利用進(jìn)氣道噴射氨氣、缸內(nèi)直噴正十二烷引燃氨氣的雙燃料燃燒模式，通過觀察火焰圖像，研究邊界條件對(duì)氨氣在缸內(nèi)穩(wěn)定燃燒的影響機(jī)制，進(jìn)而提出高比例氨氣在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)穩(wěn)定燃燒的控制策略．研究對(duì)氨-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理論和控制技術(shù)發(fā)展具有重要意義．

1 試驗(yàn)裝置與研究方法

1.1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)及高速攝像系統(tǒng)

試驗(yàn)使用的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)由一臺(tái)4缸、自然吸氣輕型柴油機(jī)(4沖程)改造而來，除了第3缸留下作為工作缸，其余3缸不工作．光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1．

如圖1所示，首先改造后的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)工作缸的缸套為可移動(dòng)獨(dú)立式缸套，能夠?qū)崿F(xiàn)缸套的快速安裝與拆卸，這樣方便內(nèi)部石英窗口的清洗．工作缸搭配單獨(dú)的進(jìn)氣加熱和冷卻水系統(tǒng)．活塞采用加長式結(jié)構(gòu)，在加長活塞下方設(shè)置了45°紫外反光鏡，燃燒室底部為石英玻璃，發(fā)生燃燒時(shí)火焰信號(hào)能通過反光鏡傳到高速相機(jī)(Photron SA5)．由于燃燒室石英玻璃的限制，光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)不能采用太高壓縮比，以免爆壓過高導(dǎo)致玻璃破裂．光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為11，燃燒室結(jié)構(gòu)與可視化范圍如圖2所示．

（a）裝配圖 （b）工作缸結(jié)構(gòu)示意

圖1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配圖和工作缸結(jié)構(gòu)示意

Fig.1 Assembly diagram of optical engine and structure diagram of working cylinder

表1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1 Basic structural parameters of optical engine

圖3為火焰高速成像工作原理，M代表反光鏡，W代表活塞頂部的玻璃視窗與環(huán)形石英玻璃窗口.試驗(yàn)過程中電控單元(ECU)接收曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)并等待燃油噴射控制系統(tǒng)的噴油命令，當(dāng)燃油噴射控制系統(tǒng)發(fā)出噴油命令時(shí)，電控單元將信號(hào)傳給噴油器，使噴油器噴油，同時(shí)通過脈沖延時(shí)觸發(fā)器(DG535，Stanford Research)將拍照命令傳給高速相機(jī)實(shí)現(xiàn)一次噴霧燃燒信息的采集．光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)由博世的高壓共軌缸內(nèi)噴油器(DI)和低壓進(jìn)氣道噴油器(PI)兩套燃油噴射系統(tǒng)組成，缸內(nèi)直噴噴油器有6個(gè)噴孔，每個(gè)噴孔直徑為150μm，如圖2所示，噴油器偏離于燃燒室中心，噴霧錐角為150°；進(jìn)氣道采用低壓氨氣噴射閥，噴射壓力為0.46MPa，噴射時(shí)刻為-330°CA ATDC．高速相機(jī)使用F/1.4光圈、50mm焦距的尼康鏡頭，幀率與分辨率設(shè)定為20000幀/s和512×512像素，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1200r/min下，每張圖像間隔為0.36 °CA．

圖2 燃燒室結(jié)構(gòu)和可視區(qū)域示意

圖3 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)高速成像工作原理

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況與試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)每隔20個(gè)循環(huán)噴一次油，這樣一方面防止玻璃受損，另一方面降低反光鏡及玻璃窗口的受污染程度．試驗(yàn)基準(zhǔn)控制參數(shù)如下：冷卻水溫在95℃，每循環(huán)噴油總量控制為35.94mg柴油．氣道噴射氨氣，直噴高活性燃料為正十二烷．正十二烷十六烷值達(dá)到87，顯著高于傳統(tǒng)柴油的十六烷值52和正庚烷的十六烷值56．氨氣與正十二烷的燃料特性如表2所示．

研究設(shè)置多組對(duì)比試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)置3組重復(fù)性試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表3所示，其中溫度為進(jìn)氣溫度，壓力表示缸內(nèi)燃料噴射壓力．設(shè)置125℃進(jìn)氣溫度、噴射壓力60MPa為對(duì)照組，進(jìn)氣道噴射氨氣，形成均質(zhì)混合氣，缸內(nèi)直噴正十二烷，形成分層的混合氣，從照片上看缸內(nèi)會(huì)形成順時(shí)針的渦流．首先控制進(jìn)氣溫度在125℃，改變噴油壓力分別為30MPa和90MPa，與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，研究缸內(nèi)引燃燃料噴射壓力對(duì)氨氣/正十二烷在缸內(nèi)燃燒的影響；然后控制噴射壓力為60MPa，改變進(jìn)氣溫度分別為100℃和150℃，與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，研究進(jìn)氣溫度對(duì)氨氣/正十二烷缸內(nèi)燃燒火焰發(fā)展的影響．

表2 燃料特性參數(shù)[20-22]

Tab.2 Fuel properties parameters[20-22]

表3 試驗(yàn)方案

Tab.3 Test plan

在每組試驗(yàn)最后，在氨氣-正十二烷熱量比例為6∶4的基礎(chǔ)上，盡可能增加氨氣比例，探究不同邊界條件能夠達(dá)到的最大氨氣比例，從而實(shí)現(xiàn)更大比例氨燃料的穩(wěn)定壓燃，更大程度降低碳排放，表3中給出了不同條件下的試驗(yàn)工況．

2 結(jié)果與討論

2.1 不同噴油壓力對(duì)氨氣/正十二烷燃燒的影響

圖4為-30°CA ATDC噴射時(shí)刻下，30MPa、60MPa、90MPa噴油壓力的缸壓和放熱率．圖中氨氣與正十二烷比例為6∶4與圖中虛線所示的無氨燃料噴射的缸壓和放熱率相比，由于氨氣的自燃性差，氨氣的加入明顯推遲了著火時(shí)刻(圖中實(shí)線所示)．對(duì)比不同噴油壓力的缸壓放熱率曲線可以看到，當(dāng)氣道有氨氣噴射時(shí)、隨著直噴燃料噴射壓力的升高，燃燒壓力和放熱率峰值逐漸降低、燃燒持續(xù)期延長；而氣道沒有氨燃料噴射時(shí)，直噴燃料的噴射壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率影響很?。砻髦眹妷毫?duì)氨雙燃料條件下燃燒放熱的影響更顯著．

圖4 在125℃進(jìn)氣溫度和-30°CA ATDC噴射時(shí)刻下，30MPa、60MPa、90MPa噴射壓力的缸壓和放 熱率

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

圖5為125℃進(jìn)氣溫度、-30°CA ATDC噴油時(shí)刻下，噴油壓力30MPa、60MPa、90MPa時(shí)燃燒圖像．由于噴油器偏置，因此可以看到圖像上方的火焰形狀更加明顯．圖中表明，混合氣以多點(diǎn)自燃的方式在靠近燃燒室壁面區(qū)域率先形成自燃著火點(diǎn)，這是因?yàn)橛捎诎睔庵鹄щy、使正十二烷的滯燃期延長，高活性燃料噴霧混合氣在噴射的動(dòng)量下不斷向下游發(fā)展，在-30°CA ATDC的直噴時(shí)刻下導(dǎo)致燃油撞壁并在近壁面附近區(qū)域形成合適的當(dāng)量比濃度，進(jìn)而誘發(fā)該區(qū)域先行著火[23]．隨著直噴燃料噴射壓力升高，自燃著火點(diǎn)逐漸減少．噴油壓力的增加，導(dǎo)致缸內(nèi)濃度分層和活性分層逐漸降低，這是因?yàn)閲娪蛪毫Φ脑龃?，使燃料噴霧的動(dòng)量較大，可以攜帶周圍更多的空氣，增強(qiáng)空氣-燃料混合氣的混合，導(dǎo)致局部當(dāng)量比降低[24]，因此不能將氨氣很好地引燃．自燃點(diǎn)的減少意味著燃料反應(yīng)速率降低，火焰充滿燃燒室的時(shí)間延長，燃燒持續(xù)期延長，導(dǎo)致放熱率峰值降低．燃燒室壁面附近的自燃著火點(diǎn)以火焰?zhèn)鞑サ姆绞桨l(fā)展，同時(shí)新的自燃點(diǎn)不斷產(chǎn)生，火焰逐漸向燃燒室中心發(fā)展．到燃燒中期，火焰的顏色為正十二烷的預(yù)混藍(lán)色火焰與橘色火焰疊加，橘色發(fā)光為NH3的火焰發(fā)光，主要是由NH2a和過熱水光譜引起的[25]．最后直到火焰充滿整個(gè)燃燒室．

圖5還表明，在噴油壓力30MPa和60MPa條件下，火焰最初呈現(xiàn)明顯NH3燃燒的橘色火焰，之后火焰顏色呈現(xiàn)預(yù)混藍(lán)色火焰與氨氣橘色火焰疊加現(xiàn)象；而噴油壓力90MPa時(shí)，火焰發(fā)展初期大部分是預(yù)混藍(lán)色火焰，只能觀測到小部分橘色火焰，隨著火焰的發(fā)展橘色火焰比例逐漸增多，越來越多的氨氣被引燃．在噴油壓力90MPa工況，正十二烷霧化效果更好，同時(shí)氨氣的低活性使滯燃期延長，讓氨和正十二烷燃料與空氣充分混合，正十二烷局部當(dāng)量比和活性降低，導(dǎo)致正十二烷自燃困難，氨氣不能很好地被引燃，因此噴射壓力90MPa時(shí)燃燒初期的火焰主要是正十二烷自燃占主導(dǎo)的藍(lán)色火焰，而低噴射壓力下則是局部高能量的正十二烷自燃后引燃周邊低活性氨氣的過程，因此燃燒初期火焰是NH3燃燒發(fā)光主導(dǎo)．這為后面噴油壓力30MPa時(shí)將氨氣/正十二烷比例提高到9∶1奠定了理論基礎(chǔ)．

圖5 噴油時(shí)刻-30°CA ATDC和進(jìn)氣溫度125℃下不同噴油壓力的燃燒圖像

圖6為125℃進(jìn)氣溫度、30MPa噴油壓力工況下氨氣/正十二烷比例為6∶4和9∶1在-25°CA ATDC和-20°CA ATDC噴射的缸壓和放熱率圖線．可以看出高比例的氨氣使缸內(nèi)燃燒持續(xù)期延長，燃燒壓力顯著降低．由于作為引燃的正十二烷比例減少，增加了引燃NH3的難度，同時(shí)氨氣極低的層流火焰速度大大降低了缸內(nèi)燃燒反應(yīng)速率，上述兩個(gè)原因?qū)е赂讐汉头艧崧史逯荡蠓冉档?，著火延遲增加.

圖7為30MPa噴油壓力和-20°CA ATDC噴油時(shí)刻下，氨氣與正十二烷比例為9∶1的燃燒圖像，由于燃燒火焰的圖像亮度過低，為了更清楚地觀察，將圖像進(jìn)行了亮度放大4倍處理．在其他的缸內(nèi)燃油噴射時(shí)刻下發(fā)動(dòng)機(jī)失火，主要是因?yàn)楦弑壤陌睔獯蟠笤黾恿藴计冢^早的噴油提前角使正十二烷在缸內(nèi)的局部當(dāng)量比過低，不能引燃氨混合氣；而過遲的噴油提前角使著火時(shí)刻后移，此時(shí)的活塞已經(jīng)遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，缸內(nèi)的壓力和溫度已經(jīng)達(dá)不到混合氣著火的條件，因此不能成功著火．

圖6 在125℃進(jìn)氣溫度、30MPa噴油壓力下氨氣與正十二烷比例為6∶4和9∶1時(shí)缸壓和放熱率

以燃燒較好的噴射時(shí)刻-20°CA ATDC工況為例，在上止點(diǎn)后3.96°CA時(shí)，第1次出現(xiàn)微弱的火焰自燃點(diǎn)，并且火焰自燃著火點(diǎn)很少，同時(shí)受到氨氣層流火焰速度的影響，火焰的發(fā)展速度相對(duì)緩慢，從著火開始到火焰布滿整個(gè)燃燒室經(jīng)過了25.2°CA．火焰發(fā)展初期，在壁面附近形成自燃著火點(diǎn)，之后火焰逐漸向四周擴(kuò)散，相比于6∶4的比例，9∶1的氨氣/正十二烷燃燒的火焰發(fā)展以火焰?zhèn)鞑シ绞綖橹鳎绕涫侨紵抑行娜鄙俑呋钚匀剂系姆植?，幾乎沒有形成新的自燃著火點(diǎn)．由于直噴正十二烷比例從40%降低到10%，所以圖7中缸內(nèi)燃燒以氨氣橘色火焰為主，只能看到一小部分的預(yù)混藍(lán)色火焰．可見，缸內(nèi)正十二烷可以實(shí)現(xiàn)90%氨氣比例的穩(wěn)定著火，而相同工況下筆者先前試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，使用活性較低的正庚烷作為引燃燃料最高氨氣穩(wěn)定著火的比例只有60%．

圖7 噴油壓力30MPa、進(jìn)氣溫度125℃、噴射時(shí)刻 -20°CA ATDC時(shí)氨氣與正十二烷比例為6∶4和9∶1的燃燒圖像

2.2 不同進(jìn)氣溫度對(duì)氨氣/正十二烷燃燒的影響

已有研究表明，適當(dāng)提高進(jìn)氣溫度增強(qiáng)了缸內(nèi)的熱氛圍，促進(jìn)壓燃著火，改善燃料燃燒的穩(wěn)定性[26].因此，本部分研究提高進(jìn)氣溫度后對(duì)氨燃料著火及燃燒速率的改善作用．圖8為噴射壓力為60MPa、 -30°CA ATDC噴油時(shí)100℃、125℃、150℃進(jìn)氣溫度的燃燒壓力和放熱率，氨氣/正十二烷比例為6∶4. 當(dāng)進(jìn)氣溫度從100℃上升到125℃時(shí)，可以看到出現(xiàn)自燃著火點(diǎn)的時(shí)間提前，壓力升高率、缸壓和放熱率峰值都顯著提高，這是因?yàn)檫M(jìn)氣溫度的提高使缸內(nèi)熱氛圍能夠更快達(dá)到混合氣的著火界限．但當(dāng)進(jìn)氣溫度進(jìn)一步從125℃上升到150℃時(shí)，缸壓與放熱率曲線并沒有明顯變化．這可能是在125℃溫度以上，正十二烷的混合速率受溫度影響很小，熱擴(kuò)散作用不顯著，主要還是依賴湍流的混合，因此導(dǎo)致更高的150℃進(jìn)氣溫度下，對(duì)NH3的引燃作用差異很小，燃燒壓力和放熱率之間差異也就很小.

圖8 在噴油壓力60MPa、噴油時(shí)刻-30°CA ATDC時(shí)不同進(jìn)氣溫度下的缸壓和放熱率

圖9為100℃、125℃、150℃3個(gè)進(jìn)氣溫度的燃燒圖像．從缸壓放熱率看，125℃與150℃進(jìn)氣溫度燃燒始點(diǎn)幾乎沒有區(qū)別，但燃燒圖像上150℃燃燒始點(diǎn)比125℃提前2.16°CA，二者之間火焰發(fā)展速度相近，而100℃進(jìn)氣溫度下著火延遲更長．

從圖9(a)可以看到，從-1.80°CA ATDC直到7.92°CA ATDC附近，火焰才充滿整個(gè)燃燒室，整個(gè)火焰發(fā)展階段持續(xù)接近10°CA；而另外兩個(gè)更高進(jìn)氣溫度的工況火焰發(fā)展階段持續(xù)7°CA左右．3個(gè)工況均是在壁面附近形成自燃著火點(diǎn)，隨后火焰一邊以火焰?zhèn)鞑サ姆绞桨l(fā)展，一邊在燃燒室內(nèi)形成更多的自燃著火點(diǎn)，從而使火焰向燃燒室中心發(fā)展．從火焰顏色來看，進(jìn)氣溫度100℃時(shí)燃燒初期的火焰顏色接近橘色火焰與藍(lán)色火焰的疊加，該狀態(tài)持續(xù)到燃燒后期．進(jìn)氣溫度125℃與150℃的火焰顏色接近，燃燒初期火焰為橘色火焰；隨著火焰的發(fā)展，預(yù)混藍(lán)色火焰越來越明顯，相比于100℃進(jìn)氣溫度工況，這兩種工況的火焰亮度更高，這是因?yàn)檫M(jìn)氣溫度的提高有助于提高燃料燃燒反應(yīng)速率．

圖9 在噴油壓力60MPa、噴油時(shí)刻-30°CA ATDC時(shí)不同進(jìn)氣溫度的燃燒圖像

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于氨與正十二烷能量比例為6∶4的雙燃料燃燒，噴油壓力的改變對(duì)缸內(nèi)的燃燒影響顯著．隨噴油壓力升高，正十二烷霧化改善，局部當(dāng)量比減小，氨氣更難被引燃，燃燒初期的火焰顏色由氨燃燒的橘黃色為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)檎轭A(yù)混燃燒產(chǎn)生的藍(lán)色火焰為主導(dǎo)；隨著直噴燃料噴射壓力提高，自燃著火點(diǎn)比例減少，燃燒反應(yīng)速率降低，燃燒持續(xù)期延長，放熱率峰值降低．

(2)在30MPa的噴射壓力下，缸內(nèi)直噴高活性的正十二烷燃料可以觀察到90%氨氣比例燃燒的火焰圖像，燃燒發(fā)展以火焰?zhèn)鞑シ绞綖橹?，尤其是燃燒室中心缺少高活性燃料的分布，幾乎沒有形成新的自燃著火點(diǎn)．因此導(dǎo)致高氨氣比例下的燃燒持續(xù)期延長，燃燒壓力顯著降低．

(3)進(jìn)氣溫度從100℃上升到125℃時(shí)，氨氣與正十二烷的雙燃料燃燒始點(diǎn)提前，缸壓和放熱率峰值顯著增大；當(dāng)進(jìn)氣溫度從125℃上升到150℃時(shí)，缸內(nèi)火焰發(fā)展特征基本不變，兩種工況的放熱規(guī)律基本一致．因此適當(dāng)提高進(jìn)氣溫度有利于氨燃料的穩(wěn)定著火，而過高進(jìn)氣溫度對(duì)氨雙燃料燃燒的改善不明顯.

(4)從氨雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制看，更低的直噴燃料噴射壓力、適當(dāng)提高進(jìn)氣溫度更有利于氨燃料的穩(wěn)定著火以及燃燒速率提升和氨在雙燃料中占比的提高.

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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．

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52130605)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體資助項(xiàng)目(51921004).

劉海峰(1981— )，男，博士，教授，haifengliu@tju.edu.cn.

劉海峰，男，博士，教授，haifengliu@tju.edu.cn；文銘升，男，博士，mingshengwen@tju.edu.cn.

(責(zé)任編輯：隋韶穎)