为了应对全球气候变化，我国制定了力争在2030年前完成碳达峰、2060年前实现碳中和的目标[1]．相对于其他新型动力能源，内燃机具有能量密度高、应用领域广泛、可靠性高及基础设施相对成熟等优势，开发低碳、零碳排放的内燃机技术对于双碳目标的实现具有重要意义．氨气是一种零碳燃料，完全燃烧只产生水和氮气．氨气具有能量密度适中、易液化、易储运等优势[2]，此外，1个氨分子中含有3个氢原子，也可以将将液氨视为一种存储氢能的介质，可将风、光等可再生能源生产的不稳定电力转化为稳定而又便于储运的液氨[3]．氨与其他内燃机燃料相比，辛烷值较高、抗爆性好，但氨的自燃温度高，层流火焰传播速率低，不利于冷启动和提高热效率．在内燃机中使用氨气作为燃料的研究有着长久的历史[4]．Reiter等[5]研究发现在氨气能量达到40%~80%的情况下，燃烧效率能够达到95%．Niki等[6]发现未燃氨气的排放随氨气加入量的增加而增加，喷油正时提前会略微降低N2O和NOx的排放，柴油预喷和后喷都会导致NH3排放降低，但会小幅增加N2O的排放．董世军等[7]研究认为利用现有的反应机理能够很好地模拟发动机的燃烧持续期、峰值压力和放热率，并能够计算出合理的热效率．Amin等[8]发现氨能量分数从0增加至40%，NOx排放量降低约58.8%，而未燃NH3和N2O排放量有所增加．在航运领域，随着国际海事组织(IMO)计划到2050年将温室气体排放降低至2008年的50%[9]，氨燃料船舶发动机成为未来重点发展方向之一．但是，目前已有的氨发动机研究绝大多数是在小缸径的车用发动机上进行的，对于氨气在大缸径的船用发动机内的燃烧和排放特性的认知极为有限．鉴于此，本研究基于一台缸径为400 mm的船用中速柴油机，开展柴油直喷点燃氨气预混合气燃烧方式的CFD模拟计算，分析氨气预混合气当量比、柴油能量比和发动机压缩比对船用中速柴油机缸内燃烧和排放的影响．1 研究方法1.1　研究对象本研究基于一台SXD 6L40/50型中速柴油机进行．该发动机为四冲程增压水冷柴油机，开式燃烧室，缸径和行程分别为400和500 mm，压缩比为13.8，转速为600 r/min．改造为氨/柴油双燃料发动机后，在进气歧管喷射氨气，经进气行程和压缩行程的混合过程，在缸内形成氨-空气的均质预混合气，由上止点前缸内直喷柴油点燃．1.2　计算模型和条件使用三维CFD软件CONVERGE v2.3对发动机缸内流动、喷雾和燃烧过程进行仿真计算．使用正庚烷作为柴油的表征燃料，氨/柴油双燃料的反应机理包含有68种组分，353步反应[10-11]．发动机喷孔数为9个，圆周均布，为节约计算时间，将圆周方向1/9燃烧室用于模拟计算．计算从进气门关闭时刻(-140 °CA)开始，到排气门打开时刻(120 °CA)结束．缸内初始温度设置为358 K，初始压力为381 kPa，气体成分根据氨预混合气的当量比进行设置．1.3　网格无关性分析网格的划分采用自适应加密技术，首先确定一个基础网格尺寸划分出粗网格，然后在此基础上对边界及某些特定的局部区域进行固定加密，并根据速度和温度梯度进行自适应加密，加密级数设定为3级．为选取合适的基础网格尺寸，分别选择基础网格尺寸为6，8，10，12和16 mm来进行氨/柴油双燃料发动机的缸内燃烧计算．当基础网格尺寸降低到6 mm时，计算结果收敛，因此选用6 mm作为基础网格尺寸．1.4　模型验证氨燃料船用发动机的试验数据鲜见报道，采用James等[12]在一台Ricardo Hydra单缸发动机上进行的氨水/柴油燃烧试验数据来进行模型验证，尽管所用机型与本研究对象有一定差异，但缸内过程涉及的流动、喷雾、相变、分子混合、化学反应等问题的物理本质是相同的．氨能量占比分别为0%和20%工况下，模拟得出的缸压与试验数据具有良好的一致性，对燃烧始点、缸压峰值及其相位的预测高度一致，验证了本研究所建计算模型和所选用的化学反应机理的可信性．1.5　模拟方案对氨气/柴油双燃料船用发动机缸内燃烧过程的模拟方案如表1所示．对比分析在不同氨预混合气当量比(β)、柴油能量比(α)和压缩比(γ)下的氨/柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性．10.13245/j.hust.240519.T001表1模拟方案变量数值β0.40，0.45，0.50，0.55，0.60α/%10，20，30，40γ12.0，12.5，13.0，13.5，13.8柴油能量比α=mcLcmaLa+mcLc×100%，式中：mc和ma为燃料柴油和氨气质量；Lc和La为燃料柴油和氨气的低热值．考虑到发动机机械强度的限制，在研究中将缸内爆压限值设定为20 MPa．此外，考虑到N2O气体的温室效应非常强，对其排放特性进行探讨．2 结果与讨论2.1　氨气预混合气当量比的影响2.1.1　氨气预混合气当量比对燃烧的影响对α=10%，不同β下的缸内流动和燃烧过程进行了计算，缸压(p)和放热率(η)结果如图1所示，θ为曲轴转角．可见：随着β增大，滞燃期略有延长，放热率增加，缸内压力和爆压上升．究其原因，随着氨气预混合气当量比增加，缸内混合气的化学反应活性降低，氧气浓度也有所降低，导致着火时刻推迟．在滞燃期内，柴油喷雾卷吸氨气预混合气，形成了氨/柴油/空气预混合气，随着氨预混气当量比的增加，滞燃期内形成的可燃预混合气的浓度也相应增加．预混合燃烧之后，发生氨预混合气的火焰扩散燃烧，火焰扩散速率随氨气预混合气当量比的增加而增加，导致放热率也依次相应提高．但是较高的氨预混合气当量比也导致爆压增加，当量比为0.6时爆压达到了21 MPa，超过限值．10.13245/j.hust.240519.F001图1不同氨气预混合气当量比下的缸压与放热率图2给出了在不同氨预混合气当量比下缸内温度云图．当θ=0 °CA(上止点后)时，氨气预混合气较稀薄条件下柴油已经开始燃烧，而β=0.6的工况滞燃期较长，还没有开始燃烧．可以发现：β=0.5，0.6工况尽管着火较晚，但在5 °CA 时刻其火焰扩散范围已经超过β=0.4的工况，使缸内的火焰温度大部分区域均低于2 000 K．观察20 °CA时的温度分布可以发现：随着氨预混合气当量比的增加，氨预混合气的燃烧火焰温度增加，β=0.5时火焰温度低于2 000 K，而β=0.6时火焰温度则增加到2 200 K．对比文献[13]的天然气稀薄燃烧研究可发现：尽管氨的化学反应活性较低，其火焰温度并不低，相同当量比(0.5)的氨/空气预混合气的火焰温度比甲烷/空气预混合气的火焰温度高[14]，前者约为2 100 K，后者约为2 000 K．10.13245/j.hust.240519.F002图2不同氨气预混合气当量比下缸内的温度云图(色标单位：K)为进一步分析影响氨/柴油双燃料发动机燃烧特性及其对性能的影响，引入燃烧效率、指示热效率和热力学效率对能量转换效率进行定量分析．参数定义如下[15]ηcomb=(Qa/Q)×100%；ηi=(Wi/Q)×100%；ηtd=(Wi/Qa)×100%；Q=maLa+mcLc，式中：ηcomb为燃烧效率；Qa为循环累计放热量；Q为循环理论燃料释放量；ηi为指示热效率；Wi为循环指示功；ηtd为热力学效率．不同氨预混合气当量比条件下的燃烧效率、热力学效率、指示热效率和平均指示压力(IMEP，p¯)变化见图3．随着β从0.4增加至0.6，ηcomb从85.1%增加到97.4%，ηtd基本维持在48%左右不变，ηi从41.8%增加到47.6%．燃烧效率的变化是因为随着氨预混合气当量比的增加，火焰传播速率增加，燃烧更加完全．热力学效率没有受到预混合气当量比的明显影响，因此指示热效率与燃烧效率的变化趋势完全一致．随着当量比增大，燃料总质量的增大和热效率的提高会导致IMEP的增加．显然，β=0.55时，发动机可获得较高的功率密度且爆压不超限．10.13245/j.hust.240519.F003图3不同氨气预混合气当量比下的燃烧效率、指示热效率、热力学效率和IMEP变化2.1.2　氨气预混合气当量比对排放的影响不同氨气预混合气当量比下CO2，CO，NO，N2O和未燃NH3的排放(Q)如图4所示．可见，随着当量比增加，氨气燃烧更完全．β=0.4时未燃烧氨气占氨气总质量的15.3%，比排放为12.6 g/(kW∙h)，β=0.6时未燃氨气比排放降低到0.9 g/(kW∙h)．N2O的排放量的变化趋势与未燃NH3相似，也是随着当量比的增加而降低，这说明在混合气比较稀薄、燃烧温度较低的条件下容易生成N2O．NO排放的变化趋势与N2O相反，β=0.4~0.5时极低，约为0.14 g/(kW∙h)，随着β进一步增加到0.55和0.6时，NO排放快速增加到2 g/(kW∙h)以上．这应该是由于随着氨气预混合气浓度的增加，火焰温度增加，热力型NO的生成速率增加．CO排放量极低，均低于0.1 g/(kW∙h)，说明在这些条件下柴油能够完全燃烧．10.13245/j.hust.240519.F004图4不同氨气预混合气当量比下CO2，CO，NO，N2O和未燃NH3的排放在氨/柴油双燃料发动机中NO的产生主要有2种路径[16]：第1种是空气中的氮与氧化合而成，称为热力型NO；第2种是氨/柴油燃料中的氮与空气中的氧化合而成，称为燃料型NO．热力型NO的生成根据Zeldovish机理进行[17]，空气中的N2在高于2 000 K的温度下氧化，由一组链式反应进行，其反应方程如下：N2+O→NO+N；N+O2→NO+O．当缸内氨气预混合气当量比增加时，氨气当量比增加，混合气的绝热火焰温度也会增加，前者导致燃料型NO增加，后者导致热力型NO增加．图4表明：在氨气预混合气当量比低于0.5时N2O的比排放较高，而N2O的全球变暖潜能值(GWP)是CO2的298倍[18]，是须重点控制的温室气体．以下是氨气在缸内燃烧过程中生成N2O[19]的主要反应：NH3+OH→NH2+H2O；NH2+H→NH+H2；NH+NO→N2O+H．在高温条件下N2O会发生均相分解，该反应与环境中的H和OH自由基浓度有关，N2O在高温下发生分解的主要反应如下[20]：N2O+H→N2+OH；N2O+OH→N2+HO2；N2O+M→N2+O+M，式中M表示(O*)．显然，随着缸内氨气预混合气当量比的增加，氨气在缸内受热分解，H和OH自由基浓度会增加，加速N2O的分解反应，有利于降低N2O排放量．Miao等[20]的研究也表明：在高温条件下NO转化为N2O的效率降低，即N2O的分解速率大于生成速率，导致N2O的排放量减少，而NO的排放量增加．2.2　柴油能量比的影响2.2.1　柴油能量比对燃烧的影响在氨气预混合气当量比为0.55、压缩比为13.8的条件下，计算了柴油能量比从10%增加到40%时的缸内燃烧过程．图5为不同柴油能量比下的缸压与放热率．柴油能量比从10%增加至30%时，爆压变化不大，均保持在19 MPa左右，而从30%增加至40%时，爆压下降．随着柴油能量比增加，滞燃期有所延长，这应该是由于柴油喷射量增加后，蒸发吸热增加，使柴油预混合气区的温度降低，从而导致滞燃期增加．柴油能量比为40%时，缸内总体的过量空气系数最小，使火焰扩散过程的反应放热速率稍有下降．10.13245/j.hust.240519.F005图5不同柴油能量比下的缸压与放热率图6为不同柴油能量比下的燃烧持续期和燃烧重心．此处将燃烧持续期分为3个阶段：第1阶段是火焰发展期(CA0~CA10)，从开始着火到燃料的热值释放10%；第2阶段是前半程主燃烧期(CA10~CA50)，燃料热值的释放量从10%增加到50%；第3阶段是后半程主燃烧期(CA50~CA90)，燃料热值的释放量从50%增加到90%．从图6可以看出：不同柴油能量比条件下，火焰发展期几乎相同，都在2.5 °CA左右，前半程主燃烧期差别也不大，在12~13 °CA；但后半程主燃烧期的差异很大，柴油能量比为10%时后半程燃烧最快，在22 °CA内完成．总体而言，氨气/柴油双燃料发动机的燃烧呈现先快后慢的特点，前半程燃烧持续期只有13 °CA左右，而后半程燃烧持续期需要22~37 °CA，这主要是因为前半程的燃烧包括柴油/氨预混合燃烧阶段，燃烧速率较高，而后半程的燃烧主要为氨气预混合气的火焰扩散燃烧，受氨气混合气火焰传播速率低的影响．10.13245/j.hust.240519.F006图6不同柴油能量比下的燃烧持续期和燃烧重心不同柴油能量比条件下的燃烧效率、指示热效率、热力学效率和IMEP变化见图7．随着柴油能量比增加，燃烧效率呈现先上升后下降的趋势，柴油能量比为20%时的燃烧效率最高，达到97.5%．热力学效率随柴油能量比的增加稍有降低，这是由滞燃期和燃烧持续期的增加导致的．指示热效率随柴油能量比增加而降低，柴油能量比为10%工况最大，为47%．柴油能量比为40%工况，过低的燃烧效率主要是由于柴油的燃烧不完全导致的．柴油喷射量增加，IMEP随着柴油能量比的提高而增加．10.13245/j.hust.240519.F007图7不同柴油能量比下燃烧效率、指示热效率、热力学效率和IMEP变化2.2.2　柴油能量比对排放的影响图8给出了不同柴油能量比下CO，CO2，NO，N2O和未燃NH3的排放．可见：未燃NH3的排放随柴油能量比的增加而降低，当柴油能量比增加至20%及以上时，氨气的燃烧完全程度有极大的改善．NO排放量随柴油能量比的增加有所降低．分析其原因，当柴油能量比增加时，过浓混合气增多，缸内局部温度降低，减少了热力型NO的生成．各个柴油能量比工况N2O的排放量都很低，且随着柴油能量比的增加而进一步减少，均低于0.11 g/(kW∙h)．CO的排放量在柴油能量比大于20%之后开始急剧增加，这是由于在喷雾核心区的柴油浓混合气难以获得充足的氧气，只能发生部分氧化，生成CO．此外，柴油喷射量增加，CO2排放量也随柴油能量比的增加而增加．10.13245/j.hust.240519.F008图8不同柴油能量比下的CO，CO2，NO，NO2和未燃NH3排放2.3　压缩比的影响2.3.1　压缩比对燃烧的影响在氨气预混合气当量比为0.55、柴油能量比为10%下，改变压缩比来探究其对氨气燃烧的影响．原机的压缩比为13.8，尝试在[12.0，14.5]区间内进行探索．图9是不同压缩比条件下的缸压与放热率曲线．可见：随着压缩比降低，压缩行程的缸压依次降低，而压缩温度的降低使得滞燃期有所延长，滞燃期内柴油与缸内气体的混合更为充分，形成更多的可燃预混合气，导致放热率曲线上柴油预混合燃烧峰值逐渐上升，且随后的扩散燃烧峰值也有所上升．10.13245/j.hust.240519.F009图9不同压缩比下的缸压与放热率不同压缩比下的燃烧持续期和燃烧重心如图10所示．随着压缩比从14.5降低到12，火焰发展期变化较小，都在4~5 °CA，而前半程主燃烧期和后半程主燃烧期都呈现先缩短后延长的趋势，当压缩比为13时二者都达到最低值，使得燃烧重心前移．压缩比从13.8增加至14.5，前半程燃烧期有所缩短，而后半程燃烧期稍有增加，主要原因是压缩比增加，提高了压缩行程末期缸内的温度和压力，使得柴油能够更快被点燃，且氨的火焰传播速率也有所增加，导致燃烧重心更早．压缩比从13.8降至13时，前半程主燃烧期从13.1 °CA缩短到9 °CA，而后半程主燃烧期从22 °CA缩短到21.5 °CA，主要原因是在更长滞燃期内形成了更大范围、更为均匀的可燃混合气，预混合燃烧速率增加，而预混合燃烧阶段更大的放热量也加热了未燃混合气，使火焰扩散燃烧阶段的氨的燃烧速率增加，从而促使前后半程主燃烧都缩短．10.13245/j.hust.240519.F010图10不同压缩比下的燃烧持续期和燃烧重心不同压缩比工况下的燃烧效率、指示热效率、热力学效率和IMEP变化如图11所示．可见：随压缩比的降低，热力学效率先缓慢下降后快速下降，这是因为其理论循环热效率和燃烧速率都有所下降，而燃烧效率、指示热效率和IMEP都是先稍微升高，再大幅降低，当压缩比为13时各参数都达到最高值，燃烧效率、指示热效率和IMEP分别达到97.8%，47.2%和3.0 MPa．10.13245/j.hust.240519.F011图11不同压缩比下的燃烧效率、指示热效率、热力学效率和IMEP变化2.3.2　压缩比对排放的影响不同压缩比下的CO，CO2，NO，N2O和未燃NH3排放如图12所示．压缩比降低，未燃NH3的比排放与燃烧效率呈相反的趋势，压缩比为13时未燃氨气降至0.71 g/(kW∙h)，这应该是得益于更高的柴油预混合燃烧速率，提高了缸内未燃混合气的温度并强化了缸内湍流，促进了氨气预混合气的火焰传播．NO排放在压缩比为13处最高，为2.1 g/(kW∙h)．N2O排放呈现先增加后降低的趋势，原因在于压缩比降低，预混合燃烧放热速率更高，在缸内形成了更多的H和OH自由基，根据反应(12)~(14)，N2O的分解速率增加．柴油能量比较低且燃烧较为充分，CO排放量均低于0.1 g/(kW∙h)，而CO2排放量随着压缩比降低而有所增加，主要原因是循环功减少．10.13245/j.hust.240519.F012图12不同压缩比下的CO，CO2，NO，N2O和未燃NH3排放综合考虑本研究的3个因素，在氨气预混合气当量比为0.55、柴油能量比为10%、压缩比为13的条件下，燃烧爆发压力为18.2 MPa，燃烧效率达到97.8%，指示热效率达到47.2%，NOx排放为2.2 g/(kW∙h)，未燃氨气排放为0.7 g/(kW∙h)．此时，发动机的IMEP为3.0 MPa，考虑到该机平均摩擦压力大约为0.3 MPa，则在此条件下可以获得的有效平均压力能达到2.7 MPa左右，接近当前先进船用柴油机的功率密度．3 结论a．随着缸内氨气预混合气当量比的增加，燃烧效率、放热率、缸内压力、指示热效率和NO排放显著增加，而未燃氨气下降，但是太高的氨气预混合气当量比会使爆压过高．b．柴油能量比过高，会导致柴油局部过浓、燃烧不完全，使燃烧效率和缸内压力降低、CO排放量增加．c．适当降低压缩比能提高柴油/氨的预混合燃烧速率，从而提高燃烧效率和指示热效率，降低未燃氨气和N2O排放，但会使得NO排放增加．d．在大缸径船用氨/柴油双燃料发动机中，通过适当的参数匹配可以获得较为优越的综合性能，将氨气预混合气当量比、柴油能量比和压缩比分别取0.55，10%和13，发动机IMEP为3.0 MPa，指示热效率达到47.8%，NO和N2O排放分别为2.1和0.11 g/(kW∙h)，综合性能指标接近目前先进船用中速柴油机．