前沿成果｜预燃室湍流射流火焰引燃氨燃烧的研究取得创新进展

（通讯员：周磊）针对氨着火困难、燃烧稳定性差和火焰速度低等难题，卫海桥教授、周磊教授团队利用自主研发的预燃室湍流射流点火（RCTJI）装置，创新提出了基于预燃室反应活性和射流速度协同调控着火及燃烧过程的学术思路，极大拓展了氨燃烧极限；并在国际上创新提出了预燃室湍流射流火焰诱导液氨喷雾扩散燃烧（PC-LASF）新概念[Combust. Flame. 287(2026), 114913] [Phys. Fluids 36, 126107 (2024)] [Combust. Flame. 286 (2026) 114822]，研究成果“Fundamental investigation of the effects of turbulent jet velocity and reactivity in the pre-chamber on ammonia combustion”和“Liquid ammonia spray flame with pre-chamber turbulent jet ignition”发表在燃烧领域顶级期刊Combustion and Flame上。

图1 夹气喷射-扫气式预燃室拓展氨燃烧极限

团队基于自主开发的反应活性控制预燃室湍流射流点火装置（RCTJI），系统地研究了预燃室湍流射流速度和预燃室混合气反应活性这两个关键参数对氨燃烧富燃极限的‌共同作用‌，明确了其协同优化路径。通过预燃室喷氢量来调整预燃室反应活性和射流速度，同时通过喷孔直径进一步调整射流速度。湍流热耗散是影响稳定着火的关键因素之一，研究发现高射流速度虽然能增强湍流，但也会加剧湍流热耗散，对氨这种低反应性燃料的点火在其燃烧极限会产生抑制作用‌。通过增大喷嘴直径降低射流速度，可以减弱热耗散，使点火模式从热射流点火转变回火焰点火。因此，通过增加预燃室喷氢量增加出口处火焰强度，同时通过增大喷孔直径降低射流火焰速度极大的拓展了氨燃烧极限。

图2 预燃室引燃氨喷雾示意图

目前预燃室射流引燃氨仅应用在点燃式预混燃烧，而液氨喷雾扩散燃烧主要由柴油引燃方式，但柴油引燃仍不能完全实现零碳燃烧并存在许多问题。因此，团队基于预燃室多年的研究经验，在国际上提出了预燃室湍流射流火焰诱导液氨喷雾扩散燃烧（PC-LASF）新概念，实现了液氨的喷雾燃烧，其具有单一零碳燃料燃烧、点火精准可控等优势，授权美国发明专利4项。团队通过可视化试验证实了PC-LASF方式的可行性，并基于预燃室反应活性和射流速度协同调控着火及燃烧过程的学术思路，通过调控喷射时刻，实现了湍流射流火焰点燃与热氛围引燃两种热射流诱导的扩散燃烧模式。研究成果可为氨、氢零碳燃料发动机燃烧技术开辟新方向。