用户速递丨氨-二甲醚双燃料直喷碰撞喷雾燃烧的点火与燃烧过程——基于高速化学发光成像的实验研究

本文《Ignition and combustion processes of Ammonia-DME dual-fuel direct-injection collision spray combustion with high-speed chemiluminescence imaging》发表在《Proceedings of the Combustion Institute》IF是5.3

研究背景

氨作为一种零碳氢载体，具有储存运输方便、合成技术成熟、生产成本低、能量密度高等优势，被国际社会视为实现碳中和的关键能源载体。然而，氨的自燃温度高、汽化潜热大、燃烧稳定性差、可燃范围窄，直接纯氨燃烧面临巨大挑战。将氨与高反应活性燃料（如二甲醚 DME）混合，或采用双直喷（dual direct-injection）方式分别喷射，可以充分利用两种燃料的互补特性，克服氨燃烧的困难。

二甲醚（DME）具有十六烷值高、挥发性好、含氧且不含硫/芳烃等优点，是一种可再生、可持续的高反应活性燃料，被认为是促进氨燃烧的理想选择。在氨-DME 双直喷模式中，如何通过调整喷射策略实现两种燃料的合理相互作用，是实现高效清洁燃烧的关键。这一相互作用过程需要通过先进的光学诊断技术进行深入解析。

实验设备与核心仪器

图1. 定容燃烧弹示意图。
 

在上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室吕兴才团队完成搭建了高温高压定容弹实验平台，系统研究了氨-DME 双直喷（ADDI）碰撞喷雾燃烧的点火与火焰发展特性。实验采用 两套独立的喷射系统 分别喷射液氨和 DME，并在以下两种策略下进行对比：
 

• ADDI-S：液氨与 DME 同时喷射
• ADDI-D：DME 先导喷射（提前 0.5 ms 喷射）
•  

实验中，非反应条件 下采用阴影法（shadowgraph）记录喷雾相互作用；反应条件 下，采用双高速相机系统同步进行 OH 化学发光（CL）* 与 火焰发光（FL） 时间分辨成像。其中，OH* 化学发光成像的核心设备如下：
 

• 高速相机：Photron Mini AX-200，帧速 22.5 kHz / 50 kHz（根据拍摄窗口调整），空间分辨率 145 μm/pixel
• 高速增强型相机附件：IIM-A，Zolix（高增益、低噪声，用于增强微弱 OH* 信号）
• 紫外镜头：Nikon 105 mm 紫外镜头（F4.5）
• 带通滤光片：310±10 nm，用于选择性收集 OH* 自由基的化学发光信号

火焰发光（FL）成像则使用 Phantom VEO-310 L 高速相机（帧速 11.25 kHz，空间分辨率 156 μm/pixel）搭配 Tokina Macro 100 mm 镜头。
 

实验方法与条件

实验在环境温度 850 K、环境压力 5 MPa 下进行。反应条件下使用 N₂/O₂ 混合气（O₂ 体积分数 21%），非反应条件下使用纯 N₂。
 

• 液氨喷射压力：40 MPa，喷射持续期 2.5 ms，喷射质量约 23.2 mg
• DME 喷射压力：60 MPa，喷射持续期 2.39 ms，喷射质量约 5.5 mg
• 液氨占总能量比例约 73%

关键实验结果

1. 喷雾相互作用（非反应条件）

图2. 纹影图像的时间序列，解析喷雾传播与相互作用（非反应性喷雾，上两行）；火焰发光图像的时间序列，解析点火与火焰发展（反应性喷雾，下两行）。
 

阴影成像（图 2 上半部分）显示：

• ADDI-S 策略：液氨喷雾动量大于 DME 喷雾，液氨穿透更深，率先到达理论碰撞区（约 ASOI 0.89 ms）。碰撞后，DME 被氨喷雾携带沿氨的运动方向混合。
• ADDI-D 策略：DME 先到达碰撞区（约 ASOI 1.11 ms），部分 DME 已越过碰撞区进入氨喷雾盲区，导致燃料分布在碰撞区域两侧。

2. 点火与火焰发展（反应条件）
 

火焰发光（FL）成像（图 2 下半部分）表明，碰撞发生时 DME 喷雾已着火，明亮火焰充满 DME 喷雾区域。

• ADDI-S：液氨喷雾与 DME 火焰接触后（ASOI 0.8 ms），明亮火焰也照亮了液氨喷雾，但仅凭 FL 图像难以判断液氨是否已着火。此后火焰在碰撞区扩展。在液氨喷雾尾部 未观察到稳定火焰，表明液氨自燃烧稳定性较差。燃烧后期（如 ASOI 4.27 ms），反应区出现散落的火花（dribbling combustion）。
• ADDI-D：火焰充分发展时（如 ASOI 1.6 ms 和 2.22 ms），火焰头部呈现更圆润的结构，火焰从喷雾头部向两侧延伸，且持续时间更长。

3. OH* 化学发光成像分析
 

图3. OH* 化学发光图像的时间序列，解析点火与火焰发展。
 

Zolix IIM-A 增强相机 配 合高速相机拍摄的 OH* 化学发光图像（图 3、图 4）揭示了点火与喷雾相互作用的细节：
 

• 碰撞前，DME 火焰已充分发展，OH* 信号主要分布在 DME 喷雾外围，这与纯 DME 火焰的发展模式一致。
• 碰撞后，大部分区域的液氨被点燃，OH* 信号区域显著扩大。两个区域呈现强 OH* 信号分布：
  1. 喷雾*外层：主要由 DME 燃烧贡献。液氨喷雾推动 DME 火焰向外移动，形成*外层 OH* 区域。
  2. 碰撞后下游区域：主要是 DME 与氨的混合燃料，在有利着火条件下发生燃烧，形成另一个 OH* 区域。这两个区域分层但未直接连通。
• ADDI-D 策略的特殊现象：在火焰发展过程中（如 ASOI 1.24 ms），液氨喷雾尾部出现 独立的 OH 信号块**（自点火区域），随后与主 OH 信号合并。

4. 高帧率精细成像（50 kHz）

图4. OH⁺ 化学发光图像的时间序列，解析点火与喷雾相互作用。
 

通过缩小视场并提高记录速率至 50 kHz，聚焦碰撞区点火时刻的 OH* 信号变化（图 4）。结果显示：

• 液氨会将 DME 头部区域的强 OH* 信号推向液氨喷雾方向，在头部外围形成环形强 OH* 信号，即喷雾*外层区域主要由 DME 燃烧主导。
• 对于 ADDI-D 策略，液氨一接触 DME 火焰，碰撞区即出现明显 OH* 信号，随后头部信号减弱，短暂延迟后信号再次增强，液氨喷雾尾部发生自点火。

5. 径向积分 OH* 信号与抬举长度

对 OH* 信号进行径向积分（图 5）表明：
 

图5. ADDI 模式下喷油器下方区域 OH⁺ 的径向积分强度随轴向距离和时间的变化。
 

• ADDI-D 策略的反应空间跨度更大，OH* 信号持续时间更长，在喷嘴下游 36~50 mm 处存在强信号区域（ASOI 2~2.8 ms），而 ADDI-S 策略全程无强信号区。
• OH* 信号强度反映燃烧强度，ADDI-D 策略燃烧更充分。

抬举长度（lift-off length）分析（图 6）显示：
 

图6. 不同策略下的抬升高度。
 

• 不同策略下 DME 方向的抬举长度差异很小，说明液氨喷雾对 DME 喷雾尾部的燃烧稳定性影响有限。
• 液氨方向的抬举长度在 ADDI 模式下 突然减小，因为氨被 DME 火焰点燃，火焰向液氨喷嘴方向传播。此外，液氨喷雾尾部形成的独立 OH* 信号域也会导致抬举长度骤降。

6. 点火延迟与燃烧持续期
 

根据 OH* 信号和抬举长度变化计算点火延迟（图 7）：

图7. 不同策略下的点火延迟和燃烧持续时间。
 

• DME 点火延迟在不同策略下变化很小，约 0.8 ms。
• DME 先导喷射时，DME 放热燃烧对周围产生加热效应，导致 氨点火延迟更短（ADDI-D 约 0.6 ms，ADDI-S 约 0.87 ms）。
• ADDI-D 策略的燃烧持续期（整体及氨燃烧持续期）均长于 ADDI-S，表明 ADDI-D 燃烧更完全。理论上 ADDI-S 燃烧持续期应长于纯 DME 模式，但实际并非如此，说明 ADDI-S 策略中氨对 DME 燃烧有抑制作用。

结论与意义

本研究利用高速 OH* 化学发光成像技术，系统揭示了氨-DME 双直喷碰撞喷雾燃烧的喷雾相互作用、点火及火焰发展特性，主要结论如下：
 

1. 非反应条件下：氨喷雾动量大于 DME，碰撞后氨携带 DME 运动；DME 先导喷射时，燃料分布在碰撞区两侧。
2. 反应条件下：DME 先自燃，液氨随后被 DME 火焰点燃。液氨喷雾尾部 未观察到稳定火焰，表明液氨自燃烧稳定性差。燃烧后期反应区出现散落火花。
3. *OH 信号分布**：强信号区域位于喷雾*外层（DME 燃烧）和碰撞核心区（氨-DME 混合燃料燃烧）。
4. ADDI-D 策略优势：液氨喷雾尾部出现独立自点火区域，反应范围更广，燃烧持续期更长，燃烧更充分。

本研究证实，DME 先导喷射策略 可有效促进氨的可靠点火与完全燃烧，为氨燃料在内燃机和燃气轮机中的实际应用提供了重要的实验依据和光学诊断数据。
 

其中，Zolix 高速增强型相机 IIM-A 凭借其高增益、低噪声、高时间分辨率等优势，在捕捉微弱 OH* 化学发光信号、解析点火瞬态过程、区分不同燃料燃烧区域等方面发挥了不可替代的关键作用，充分展示了其在燃烧诊断与极端环境光学测量领域的卓越性能。