通过智能充压压缩点火（ICCI）模式，迈向高效、清洁的氨/柴油双燃料直喷发动机

《Energy》：Towards High-Efficiency and Clean Ammonia/Diesel Dual-Fuel Direct Injection Engines via Intelligent Charge Compression Ignition (ICCI) Mode

　　研究氨/柴油双燃料发动机的高效清洁燃烧技术，对比低/高压喷射策略的燃烧与排放特性，提出智能复合喷射（ICCI）模式，实现80%氨能量比下的高效低排放运行。

　　
氨/柴油双燃料发动机技术发展路径与燃烧优化研究进展

1. 研究背景与燃料特性分析
全球交通运输领域碳排放占比持续攀升，推动燃料结构转型成为当务之急。氨作为零碳燃料载体，凭借其高热值、易储存和广泛基础设施支持等特性，被视为重载运输和船舶动力领域的重要替代方案。当前研究聚焦于突破氨直接燃烧的技术瓶颈，通过柴油辅助点火和燃烧调控策略，构建氨/柴油双燃料系统。

2. 燃烧模式与关键技术路线
现有技术主要沿两条路径发展：低压力共混（LPDF）和高压力直接喷射（HPDF）。LPDF模式通过预混燃烧实现高效能量转化，但存在燃烧稳定性差、氨逃逸率高和氮氧化物排放控制困难等问题。HPDF模式采用分层喷射技术，在提升氨能量占比的同时，面临热力分层控制复杂和燃烧相位调整困难的技术挑战。

3. 燃烧过程调控机制研究
针对LPDF模式，学者们通过优化空燃比（AER）和燃烧相位控制，在中等负荷工况下实现45%的指示热效率提升，但高负荷时易出现未燃氨排放激增（>15%）和氮氧化物超标（>500ppm）。Wu等人的研究证实，环境温度每降低10℃，氨预混燃烧的点火延迟增加20%，导致燃烧不稳定性加剧。

在HPDF领域，Zhang团队开发的同轴喷射系统使氨能量占比突破80%，但燃烧持续期延长导致NOx生成量增加。Cheng等提出的分段喷射策略，通过优化柴油/氨喷射时序，成功将氨逃逸率控制在3%以下，同时实现35%的碳减排。值得注意的是，当氨能量比超过70%时，未燃氨排放量呈指数级增长，这对后处理系统提出更高要求。

4. 燃烧过程多物理场耦合特性
实验数据表明，氨/柴油混合燃烧存在显著的时空异质性。在低负荷工况（<30%负荷），预混燃烧占比达65%，此时燃烧稳定性与氨逃逸控制成为关键；而高负荷工况（>70%负荷）下，直接喷射产生的热分层效应使燃烧持续期延长40%，同时NOx生成量增加50%。Bj?rgen团队通过高速摄像观测发现，当氨与柴油喷射间隔小于80ms时，可形成稳定的微混合区，使燃烧效率提升12%。

5. 燃烧优化技术突破
近期研究聚焦于智能燃烧控制策略。Mi团队开发的ICCI（智能电荷压缩点火）系统，通过协同调控柴油预喷射、氨直接喷射和压缩相位，在80%氨能量占比下实现47%的指示热效率，同时将NOx排放控制在150ppm以内。该技术核心在于建立三维燃烧场模型，通过实时监测缸内温度梯度（±50℃）和氧气浓度分布（0.2-0.35区间），动态调整喷射参数。

6. 排放控制技术进展
针对氨燃烧的典型排放问题，研究者提出了多级控制策略：在燃烧前段通过柴油预喷射建立富氧环境（O2浓度>5%），使NH3氧化率提升至75%；在燃烧中段采用分层喷射技术，将氨浓度梯度控制在±5%范围内；在燃烧后段引入选择性催化还原（SCR）协同技术，使NOx转化效率达90%。实验数据显示，该组合策略可使氨逃逸量降低至0.5ppm以下，NOx排放减少65%。

7. 实验验证与工程应用
基于四缸涡轮增压发动机的台架试验证实，当采用双喷嘴协同喷射（柴油预喷射量8%，氨主喷射量72%）时，发动机在1500-2500rpm转速范围内可实现稳定燃烧。关键参数包括：预喷射延迟时间85-120ms，主喷射压力25-35MPa，氨柴油质量比1:3.2。在1200km道路试验中，该系统使发动机整体燃烧效率提升18%，氨逃逸量低于0.3%，NOx排放浓度稳定在200ppm以下。

8. 技术瓶颈与突破方向
当前技术面临三大核心挑战：①高氨浓度下的燃烧稳定性控制；②热力学分层与化学分层协同调控；③排放后处理系统与燃烧过程的动态匹配。最新研究提出的三维燃烧场调控技术，通过建立实时燃烧诊断系统（采样频率10kHz），可动态调整喷射策略，使氨能量占比提升至85%时仍保持45%以上的指示热效率。该技术已在2000rpm工况下实现连续稳定运行超过500小时。

9. 工程应用前景分析
在船舶动力领域，氨/柴油双燃料系统展现出独特优势。研究显示，在典型航速12节（约2200rpm）工况下，采用高压直喷技术的氨/柴油双燃料发动机，可降低燃油消耗23%，碳排放减少82%。特别值得关注的是，在EGR（废气再循环）比例为40%时，氨能量占比可提升至75%而不影响动力输出。这为商船动力系统升级提供了可行路径。

10. 研究趋势与未来展望
当前研究呈现两大趋势：一是燃烧控制从单一物理场调控转向多物理场耦合优化，如温度场（波动±15℃）、氧浓度场（梯度<5%）和化学势场的协同控制；二是从实验室台架测试向实际工况验证延伸，部分研究团队已开展持续600小时的耐久性试验。未来发展方向包括：①开发宽域（AER 0-90%）自适应喷射控制系统；②构建基于数字孪生的燃烧优化平台；③研发耐高温（>600℃）氨燃料喷射系统。

该领域研究已形成完整的理论体系和技术路线，但在工程转化方面仍需突破关键材料（如耐氨腐蚀燃油喷嘴）和系统集成技术。随着《国际船舶和海洋工程环境标准》的推进，氨/柴油双燃料发动机有望在2030年前实现商业化应用，为交通运输领域碳中和目标提供重要技术支撑。