模拟废气再循环对氨-柴油双燃料燃烧的影响研究

　　导读：近日，中南大学能源科学与工程学院、东北大学材料与工程学院与上海空间电源研究所的几位研究人员在“Energy”期刊上发表了一项重要研究成果，题为“Experimental study on the effects of simulated EGR on ammonia-diesel dual-fuel combustion in a constant volume chamber”。该研究通过光学实验，系统探究了模拟废气再循环(Exhaust Gas Recirculation, EGR)条件下氨-柴油双燃料燃烧的特性，为氨燃料发动机的减排和性能优化提供了新思路。

　　研究背景

　　随着全球对化石燃料依赖的加剧，空气污染和温室效应问题日益严重。氨作为一种零碳燃料，因其高能量密度、易储存和低爆炸风险等优势，成为替代燃料研究的热点。然而，氨燃料发动机在实际应用中仍面临点火困难、火焰传播慢、氮氧化物(NOx)排放高等挑战。为此，研究人员常采用柴油等高活性燃料引燃氨，并结合EGR技术以降低排放。但EGR对氨-柴油双燃料燃烧的具体影响尚未充分探索。

　　实验方法

　　研究团队在定容燃烧室(Constant Volume Chamber , CVC)中进行了光学实验，实验装置如图1所示。

　　通过调节环境温度(700 K-800 K)和氧气浓度(11%-21%)模拟EGR条件。实验使用高速相机捕捉燃烧室内瞬态火焰发展过程，拍摄帧率6400 fps，曝光时间100 μs，分辨率832×600像素。通过搭配高速相机、像增强器(EyeiTS)及不同波长滤光片，可获取燃烧过程中OH和NH₂等中间产物的化学发光分布及动态变化。结合压力传感器和热释放率(Heat Release Rate, HRR)分析，全面评估了燃烧性能和排放特性。

　　图1 实验装置示意图

　　研究结果

　　燃烧阶段划分：氨-柴油双燃料燃烧可分为三个阶段——柴油预混燃烧、柴油扩散燃烧和氨预混燃烧。

　　1.随着温度降低，柴油扩散燃烧逐渐向预混燃烧转变，而氨预混燃烧在整体过程中的主导性增强。

图2 不同环境温度下，OH基团与NH₂基团化学发光图像

　　2.EGR的减排效果：降低环境温度和氧气浓度会缩小NH₂基团的发光区域并减弱其强度，表明NO排放减少。研究发现，氧气浓度从21%降至16%对燃烧性能的影响较小，而从16%降至11%则显著抑制燃烧，表明适度EGR可在减排的同时兼顾燃烧效率。

　　图3 不同氧气浓度下，OH基团与NH₂基团化学发光图像

　　3. 极端条件下的燃烧特性：在极低温度(700 K)和氧气浓度(11%)下，燃烧过程出现双峰HRR现象。第一峰由柴油缓慢燃烧引发，第二峰则源于氨的后续氧化。这种模式下，燃烧持续时间显著延长，可能影响发动机热效率。

　　总结

　　该研究为氨-柴油双燃料发动机的EGR技术应用提供了重要依据。结果表明，适度EGR可有效降低NOx排放，且对燃烧性能影响较小。然而，极端条件下的燃烧恶化现象提示，在实际应用中需优化EGR参数以避免效率损失。此外，研究提出的三阶段燃烧模型和化学发光分析方法，为后续燃料开发和燃烧优化提供了新工具。

　　研究团队表示，未来将进一步探索EGR与其他后处理技术(如选择性催化还原)的协同效应，以提升氨燃料发动机的综合性能。同时，结合数值模拟和实际发动机测试，推动氨燃料技术的商业化应用。

　　这项研究不仅为清洁能源的发展提供了科学支持，也为实现碳中和目标开辟了新路径。

　　更多技术细节可参考原文：https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.135258

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