氨替代率對柴油發動機的燃燒及排放性能的仿真

關鍵詞： 柴油發動機；廢氣減排； 氨、柴油雙燃料；替代率；燃燒特性；排放特性

中圖分類號： TK 46+4 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.03.013

氨燃料作為一種潛在的無碳和可再生能源重新受到社會和科學界的關注。氨（NH3） 是無碳清潔且低成本的氫載體燃料， 其具有較高的能量密度，可以在相對較小的體積中存儲更多的能量。將氨燃料引入內燃機燃燒有利于解決汽車排放污染的問題[1-3]。氨燃料的能量密度高且易液化，儲氫質量份額高達17.7% ；因此，氨被認為是良好的氫能源載體。

氨完全燃燒產物只有水和氮氣，十分適合作為清潔能源推廣至各個工業領域[4-6] 。氨在交通運輸方面的應用正在顯著增長，挪威的Bergen Engines 公司在Ammonia Zero Emissions Project （AMAZE） 中開發了綠色氨作為替代船舶發動機燃料，旨在開發一種以綠色氨為主要燃料的燃料靈活的內燃機技術[7-8]。但氨的熱化學特性限制了該燃料的推廣和實際應用[9-10]。由于氨的自燃溫度較高且火焰傳播速度低，引入發動機作為燃料時常以其他燃料進行摻混達到引燃的目的[11-13]。

在氨與其他清潔能源摻混方面，E. Nadimi [4] 對氨作為主燃料對氨/ 生物柴油雙燃料CI 發動機性能和排放進行研究。結果表明，增加氨輸入能量比會降低排氣溫度，替代率達69.4% 時可降低排氣溫度100 K，CO₂、CO 和HC 排放量顯著降低，替代率達69.4% 時，CO₂ 減少510 g/kWh，CO 減少30.1 g / kWh，NO 排放量增加。

C. S. M?rch [14] 以進氣道噴射氨與氫的形式，探究了不同過量空氣系數和氨體積分數對氨、氫雙燃料發動機的燃燒特性和排放特性的影響。研究表明，當氫氣體積分數達到10% 的時候，燃燒效率與發動機功率最高。在排放方面，氨、氫雙燃料發動機的NO_x 排放量與汽油發動機的NO_x 排放量相當，可以通過使用選擇性催化還原處理對排放出的NO_x 以及可能出現的氨排放的進行處理。

WEN Mingsheng [15] 等學者研究了邊界條件對氨和正庚烷雙燃料發動機燃燒性能的影響，結果顯示，增加噴射壓力、進氣溫度壓縮比可以優化氨的燃燒質量，但過高的氨能量比會導致燃燒惡化。

在氨于傳統石油燃料摻混的研究中，劉海峰[16] 研究了壓縮比和當量比對氨/ 柴油雙燃料低速機性能的影響，研究結果表明，隨著氨燃料當量比的增加，火焰傳播速度加快，燃燒壓力峰值和放熱率明顯升高；劉尚[17] 在多模式下摻氨發動機試驗研究中采用快速壓縮機進行試驗，研究發現，汽油機中氨氣摻混比從0 提高至12.3 % 后，爆震受到抑制，燃燒相位優化，熱效率提高1.2 % ；柴油機中摻混氨氣時，燃燒放熱時刻推遲，燃燒持續期增加，CO 排放增加，NO 排放降低。

A. J. Reiter [18] 的研究中，將一臺四缸渦輪增壓柴油發動機的進氣歧管加以改進，將柴油燃料噴射到氣缸內以達到引燃氨的效果。研究結果顯示，40%～60%的柴油燃料為最佳能量比范圍。恒發發動機功率、柴油燃料能量增加到60% 以上時，發動機中的氨氣、空氣混合物接近其可燃極限。在恒定發動機功率工況下，氨氣能量替代率低于40%，NO_x 排放量低于使用純柴油燃料的排放量。

E. Nadimi [19] 研究了不同氨替代柴油的情況下，氨柴油雙燃料壓燃發動機的點火、排放特性和性能。使用單缸柴油發動機進行實驗，轉速固定為1200r / min，結果證明，隨著氨替代柴油比例的增加，熱效率提高，CO₂ 排放顯著降低，但NO、NO₂ 和N₂O 排放增加。

綜上，氨作為替代燃料常輔以其他燃料用以引燃，才能達到較好的燃燒和排放性能，氨能量比應控制在50% 以內防止燃燒惡化，同時壓縮比與燃油噴射策略也會對雙燃料發動機的性能產生影響。通過進氣道將氨氣混合后吸入缸內，可避免氣體與液體燃料協同噴射的問題，且無需重新設計缸蓋結構，可使氨氣與空氣充分混合以獲得更加穩定的燃燒過程，更加適合現有柴油發動機摻氨改型方案。

在某車用柴油發動機的基礎上將氨燃料按照能量比0、10%、20%、30%、40% 進行摻混，將氨氣與空氣預先混合后吸入缸內，柴油以高壓油束形式噴入缸內，使用仿真分析軟件CONVERGE 建立燃燒室模型并進行仿真，探究氨替代率對柴油發動機燃燒及排放性能的影響，為車用柴油發動機摻氨燃燒改型應用提供理論依據。

1 研究方法

1.1 發動機參數及機理

本文以某柴油發動機作為研究對象，該發動機為直列六缸、四沖程，在國內商用車中廣泛應用，其主要技術參數如表1所示。

仿真模型借鑒XU Leilei 等[20] 學者所提出的氨-正庚烷骨架化學動力學機理。通過聯合解耦方法和優化算法，建立了一個包含69 個物種和389 個反應的骨架化機理。對氨/ 正庚烷混合物的點火延遲時間進行敏感性分析，確定了主要反應。采用遺傳算法進一步優化了機理。將骨架機理的結果與文獻中的其他機理進行比較后發現，該骨架機理能夠很好地預測各種條件下的燃燒過程，并且計算效率高，適用于氨/ 正庚烷燃燒的建模。

1.2 模型介紹

運用CONVERGE 軟件中Make surface 工具繪制發動機燃燒室線形，發動機每個汽缸含有7 個柴油噴孔，按照噴孔分布繪制出發動機氣缸1/7 扇形區域模型，包括燃燒室、活塞頂部以及噴油嘴等。在燃料比例方面，以氨與柴油按照給定能量比的形式進行摻混，替代比分別為0%、10%、20%、30%、40%，分別對缸內燃燒以及排放性能進行仿真。

若令Q 為循環總燃料能量，m_D為額定工況下單循環噴油質量，u_LD 為柴油單位質量的能，則摻氨能量比為

湍流模型選擇RNG k-ε 模型，霧化破碎模型選擇KH-RT 模型，碰撞- 聚合模型選擇NTC 模型，燃燒模型選擇SAGE 模型，NO_x 排放模型選擇Zel'dovich機理模型。邊界條件見表2。

1.3 模型驗證

試驗臺架使用曲軸轉角傳感器檢測曲軸位置，同時采集氣體分析儀與消光式煙度傳感器的關鍵點排放數據后進行擬合。圖1、圖2、圖3 所示為仿真模型與臺架試驗數據的對比。

由圖可知：可以看出缸壓數據峰值及其相位匹配都較好，排放物中NO 和碳煙（Soot） 生成曲線相位略有偏移，整體誤差均在合理范圍之內，燃燒模型與排放模型能夠準確表征發動機的工作狀況。

2 結果及分析

2.1 不同氨替代率對燃燒性能的影響

圖4 為不同替代率下缸內平均溫度隨曲軸轉角的變化情況。選取τ（NH3） 為0%、20%、40%，比較活塞經過CA（ATDC） 為0°、10°、16° 時刻的缸內溫度分布，如圖5 所示。缸內壓力隨摻氨能量比的變化情況如圖6 所示。燃燒持續期與滯燃期隨氨替代率變化的情況如圖7 所示。

由圖4可知：缸內平均溫度隨著氨替代率的增加呈下降趨勢。隨著氨替代率的增加，缸內溫度分布變化趨勢相同。從圖4 中0° 時刻開始，摻氨后噴油起始階段高溫區域減少；10° 時未摻氨組的油束末端溫度較高，摻氨組的噴油始端溫度較高，摻氨后燃燒遲滯期延長，更多燃料在燃燒持續期放熱；16° 時刻，隨著氨替代率的上升，延燃燒室壁面分布的高溫區域向油束內部轉移。這是因為： 1） 氨燃燒的火焰傳播速度慢，氨參與燃燒后直接降低了混合氣的火焰傳播速度； 2） 氨的起燃溫度比柴油高，混合燃料達成燃燒條件較慢。

τ（NH₃） = 0%～40% 時，滯燃期有延長趨勢，這是因為氨的起燃溫度（920 K） 與柴油的起燃溫度（480 K）相比更高，總能量不變的情況下加入氨減少柴油，混合燃料達成燃燒所需要的溫度更高，但氨燃燒后溫度較柴油低且火焰傳播速度慢，因此滯燃期隨之延長。τ（NH₃） = 0%～10% 期間， 氨的占比較低， 柴油主導燃燒過程，燃燒持續期的縮短與柴油的減少有關；τ（NH₃） = 10%～40% 時，氨的增加降低了混合燃料火焰傳播速度，導致燃燒持續期的延長。

2.2 不同氨替代率對排放性能的影響

不同氨替代率下CO 的排放情況如圖8 所示。由圖8 可知：隨摻氨能量比的增加CO 的排放量明顯改善，τ（NH₃） = 40%、CA = 75° 時（ 排氣門開啟時刻） 可降低CO 排放41.6%。理論上CO 的減排量應與柴油被替代的含量成正相關，但柴油的不完全燃燒也會影響CO的生成量。如圖8 所示，CO 生成量達到峰值后，隨著燃燒進行，部分CO 轉化為CO₂，但是隨摻氨能量比的增加，缸內氧氣濃度降低，CO 到CO₂ 的轉化過程逐漸放緩。

圖9 為不同氨替代率下在排氣門開啟時刻CO 分布情況的計算結果。由圖9 可知：隨著氨替代率的增加，高濃度CO 區域逐漸減少，這是由于隨著氨替代率的增加降低了混合燃料中的含碳量；但隨著氨替代率增加，從燃燒室底部向上延伸出部分低濃度CO 區域，且面積逐漸增加，這主要是因為氨加入燃燒后消耗部分氧氣，在所形成的低氧區域內加劇了CO 的產生。

圖10 是不同氨替代率下NO 生成量隨曲軸轉角的變化規律。圖11 表示出不同氨替代率下在排氣門開啟時刻NO 的質量排放量分布情況。

由圖10 可知：隨著氨的加入，NO 生成量在循環內出現峰值，但隨燃燒的進行下降至較低水平，τ（NH₃） = 40%、CA = 75° 時可降低NO 排放68.96% ；分析其原因，發動機燃燒過程NO 的形成主要有燃料型和熱力型；NH₃ 完全燃燒只產生N₂ 和H₂O，但缸內燃料與氧氣混合易出現不均勻的部分，該條件下NO 作為NH₃ 不完全燃燒的中間產物會有所增加，導致峰值的出現，此部分為燃料型NO ；熱力型NO 主要受溫度影響，摻氨后缸內平均溫度下降會降低熱力型NO 生成；并且未燃的氨會作為還原劑進一步與NO 反應，消耗NO，因此隨著氨的加入，NO 先達到峰值后下降至低水平，且隨替代率的增加上述作用逐漸增強。

由圖11 可知：可以看出隨氨替代率的提高，生成NO 的區域總面積減小，高NO 濃度區域縮小，這與摻氨后燃燒溫度降低有關。

不同摻氨能量比下Soot 的生成與排放情況如圖12所示。圖13 為不同氨替代率下排氣門開啟時刻Soot分布。

由圖12 可知：隨著NH₃ 的加入，Soot 生成的峰值逐漸下降，氨替代率越高，峰值下降越明顯，在τ（NH₃） = 10%時的排放量高于τ（NH₃） = 0%時的排放量，但隨氨替代率的增加逐漸下降，τ（NH₃） = 20% 時排放量已低于τ（NH₃） = 0% 時，τ（NH₃） = 40%、CA=75° 時排放量較τ（NH₃） = 0% 時降低17.2%。

分析出現這一現象的原因，柴油機中燃燒溫度與Soot 生成量的關系并不是線性的，而是呈現出一個相對復雜的趨勢，這個關系大致可以分為3個階段：

1） 低溫區：在低溫燃燒區，由于燃燒溫度不足以促進燃料的有效燃燒，Soot 的形成速率較低。在這個區域，溫度的升高會導致Soot 生成量增加，因為提供了更多的熱能促進燃油分解成碳顆粒。

2） 中溫區：當溫度進一步升高，會進入到一個Soot 生成的“窗口”，在這個溫度范圍內，熱解和部分氧化過程產生的碳顆粒量大于這些顆粒的氧化量，所以Soot 的生成量會達到峰值。

3） 高溫區：當溫度繼續上升，高溫會加速Soot 顆粒的氧化，導致Soot 生成量減少。如果溫度足夠高，幾乎所有的Soot 顆粒都會被氧化掉，從而大幅減少Soot 的排放。

對缸內平均溫度的分析中可知：當NH₃ 替代率從0增加到10% 時，缸內溫度下降，因此原高溫區域可被氧化的Soot 量降低，燃燒室底部高濃度Soot 區域增加（ 如圖13 所示），因此Soot 生成量在替代率10% 時高于0% 時。τ（NH₃） = 10%～40% 時，Soot 生成量主要由混合燃料含碳量決定；隨著NH₃ 替代率的增加，缸內混合燃料的含碳量下降（ 如圖12 所示），燃燒過程中Soot 峰值生成量大幅下降，但高溫分解Soot 這一過程因缸內溫度降低而趨于平緩。

3 結論

本文研究了氨與柴油以不同能量比摻混燃燒的燃燒及排放性能，對其主要指標進行仿真和數值分析，得到的結論如下：

1） 隨著氨替代率的提高，循環內平均溫度與缸內壓力有所下降，氨替代率為40% 時，平均溫度峰值下降約203 K，缸內壓力峰值下降約1.56 MPa。

2） 加入氨后，滯燃期因氨的起燃溫度較高有所延長，氨替代率為40% 時滯燃期延長1.72° ；燃燒持續期呈先縮短后延長趨勢，氨替代率為10% 時，滯燃期可縮短1.99°，40% 時燃燒持續期延長7.32°。

3） 摻氨燃燒后減排效果明顯。CO、NO 和碳煙排放性能均有顯著提高，氨替代率為40% 時，可降低CO、NO 和碳煙排放量41.6%、68.7% 和17.2%。柴油發動機摻氨燃燒對節能減排降碳具有積極意義。