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柴油/氨双燃料化学反应动力学机理研究与燃烧预测

摘要

随着能源危机的加剧与排放法规的日益严苛，氨燃料因无碳、能量密度大、生产和

储运方便等特点，成为替代燃料的热门选择。然而氨燃料存在点火能量高、自燃温度高

及火焰传播速度慢等问题，需引入高反应活性燃料改善燃烧性能，因此柴油/氨双燃料发

动机技术成为清洁能源发动机领域研究的焦点之一。但此类发动机的燃烧和排放性能与

燃烧控制策略、燃烧环境及氨替代率等因素的作用机制不明，氨掺混大分子碳氢燃料燃

烧的过程十分复杂，相关的化学反应动力学机理研究薄弱，制约了该技术的应用。因此

构建预测更为精准且尺寸较小的机理模型，为柴油/氨双燃料发动机性能分析与优化研

究提供理论基础，对推动内燃机向高效清洁方向发展具有重要意义。

首先运用解耦法与模块构建策略，选取正癸烷、异辛烷、甲基环己烷和甲苯作为柴

油表征组分，构建含90组分、400基元反应的柴油/氨双燃料反应机理模型，并基于滞

燃期、层流火焰速度实验数据，在氨替代率0-100%，当量比0.5-1.5，温度675-995K，

压力15-60bar的工况条件下对模型进行验证。随后，通过燃料分子及重要自由基浓度变

化分析及产率分析，揭示了不同替代率条件下柴油与氨在燃烧过程中的相互作用关系，

发现了氨替代率较低时，大分子碳氢化合物低温化学主导燃料第一次着火和负温度系数

行为；氨替代率较高时，压力迹线呈现“三阶段”上升，柴油/氨的氧化过程逐渐分离。

为进一步提升模型预测精度，基于多目标遗传算法对通过敏感性分析得到的机理关

键反应进行优化，并在同一工况条件下，对优化前后的机理开展反应路径分析。结果表

明，算法是通过调整癸基消耗路径，加快正癸烷的裂解过程，从而提高模型滞燃期预测

精度。最后，将优化机理与柴油/氨双燃料发动机三维仿真模型耦合，系统地研究了不同

氨替代率对发动机燃烧及排放特性的影响。研究发现：燃烧始点随氨替代率提高不断滞

后，并且最高压力呈现先上升后下降的趋势，对应相位则不断延后，氨替代率40%时缸

压峰值达到最大7.8MPa，当氨替代率在20%-40%时，燃烧趋向于集中放热，在该区间

外表现为两段放热，80%氨替代率时发动机未燃。排放的整体趋势为，随着氨替代率提

高，NH和NO排放不断上升；CO排放不断下降；CO排放不断下降，但替代率超过

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40%后基本不变；NO、NO2排放逐渐降低，但替代率超过60%后表现上升趋势。综上，

氨替代率为40%时，发动机表现出了最佳的燃烧与排放性能。

关键词：化学反应机理；柴油/氨双燃料；反应动力学分析；遗传算法；发动机燃烧预测

柴油/氨双燃料化学反应动力学机理研究与燃烧预测

Abstract

Withtheintensificationoftheenergycrisisandtheincreasinglystringentemission

regulations,ammoniafuelhasbecomeapopularalternativefuelduetoitscharacteristicsof

beingcarbonfree,highenergydensity,convenientproductionandstorage.However,ammonia

fuelhasproblemssuchashighignitionenergy,highautoignitiontemperature,andslowflame

propagationspeed,whichrequiretheintroductionofhighlyreactivefuelstoimprove

combustionperformance.Therefore,diesel/ammoniadualfuelenginetechnologyhasbecome

oneofthefocusesofresearc