优秀论文：氨氢燃料发动机燃烧与排放模拟研究
本次特别分享的是由上海交通大学投稿的“氨氢燃料发动机燃烧与排放模拟研究“的用户论文。该论文已被2024年度艾迪捷CAE&MBD仿真用户大会收录，荣获“优秀论文”，分享已获得作者的授权。
摘要
为改善氨燃烧存在的火焰传播速度慢、最小点火能量高、自燃温度高、可燃极限窄和NOx排放高等问题，本文采用高能点火技术和引入氢气共燃以提高混合气组分的反应性，采用CONVERGE软件，通过三维数值模拟方法对氨氢燃料点燃式发动机缸内燃烧过程进行研究，研究贫燃条件下当量比和点火能量等参数变化对发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明，缸压、温度和放热率峰值随着当量比的减小而降低，发动机性能和效率有所降低。随着当量比的减小，NO和N2O排放减小，与未燃氨排放趋势相反。提高点火能量可增强燃烧稳定性和加快火焰传播速度，当点火能量小于100 mJ时，提高点火能量对发动机性能改善效果显著。同时，在低氢气比例时点火能量对排放的改善效果较为显著。然而，单一依靠提高点火能量无法获得较好发动机性能，还需增加氢气比例以更好促进燃烧。在当量比为0.6的稀燃条件下，指示热效率、燃烧效率以及指示平均有效压力在160 mJ的点火能量耦合30%的氢气比例时可达到38.7%、98.7%和13.4 MPa，NO、N2O和未燃氨等总排放为3.35 g/kWh。
关键词
氨氢燃料；点燃式发动机；CONVERGE；燃烧特性；NOx排放
1.前言
1.前言
我国交通运输领域的碳排放量为12.74亿吨，大约占我国碳排放总量的12.42%，占全球交通运输总碳排放的14.82%，仅次于美国[1]。在交通运输行业中，内燃机仍是当今主导动力，甚至到2050年，内燃机仍将是该领域不可替代的主导动力[2, 3]。在净零排放的愿景下，零碳能源替代和清洁高效的发动机燃烧技术是解决内燃机领域脱碳问题[4]，乃至实现整个交通运输行业的减污降碳的关键技术路径。
氨作为一种优良的零碳替代燃料，近年来受到了广泛的关注[5, 6]。然而，氨的燃烧特性不佳，通常与其他燃料掺混使用，尤其是与氢气的混合，因为氢气不仅能显著提高燃烧效率，还能保持氨的零碳排放优势。Cornelius等人[7]的试验结果表明在氢气比例较低时，特别是在部分负荷条件下，需要对火花塞进行改进，常规点火系统替换为单个改进点火系统后，发动机的最大功率提高了约80%。当安装双改进点火系统时，最大功率进一步增加了约20%。Mørch等人[8]的实验中测试了不同氢气体积比（5~100%）、过量空气系数（0.8~1.7）和压缩比（6.23~13.58）对氨氢燃料CFR发动机性能的影响。研究结果发现在氢气体积比为10%时氨氢发动机可获得最佳的指示热效率和指示平均有效压力。在略微高于1.0的过量空气系数下，发动机的效率最高。这是因为在这个范围内，燃料与空气的混合比例接近理论空燃比，可以实现较为完全的燃烧，从而最大化热能转换效率。奥尔良大学Lhuillier等人[9]研究了多种对氨氢火花点火发动机燃烧性能有影响的参数，包括氢气体积掺混比、当量比和进气压力。研究发现氢气在燃烧初期阶段的加速效应尤为显著，表明氢气主要作为点火促进剂。在氨氢混合燃料中氢气体积比达到20%时，可提高循环稳定性并避免失火，同时在化学计量附近提供最佳指示热效率和输出功。较高氢气比例的稀薄混合气也表现出了良好燃烧性能。当氢气的体积分数超过40%时，发动机可以在当量比为0.6的稀薄燃烧条件下稳定运行，从而拓宽了可燃极限。
在保证氨氢燃料发动机燃烧性能的同时，如何降低NOx和未燃氨排放这一问题成为了众多研究者关注的焦点。氨燃烧通常NOx排放较高[10]，会产生大量的NO，其次是N2O和NO2[11]。掺混氢气后对排放特性有显著影响。有研究者发现体积氢气比例为20%时，使用氨氢燃料的NOx排放与使用汽油非常接近[8, 12]，而体积氢气比例为15%时，NOx排放与甲烷接近[13]。随着氢气的添加，缸内燃烧温度升高，将促进热力型NOx生成。因此，有许多研究表明添加氢气后的氨燃料发动机的NOx排放比通常比纯氨发动机高[8, 9, 14]。Mørch等人[8]的研究中绘制了在压缩比为10和转速为1200 rpm时体积氢气比例和过量空气系数与NOx排放的函数关系云图，结果表明，当氢气比例超过50%且过量空气系数介于1.1至1.4的范围内时，NOx的排放量达到峰值。Lhuillier等人[9]通过实验研究了体积掺混氢气比例（0 ~ 60%）和当量比（0.6 ~ 1.2）等多个参数对氨氢燃料火花点火发动机条件下的排放影响。研究结果表明，掺氢对不同当量比下NOx排放的影响呈现出非单调性，即其效应随着当量比的变化而变化。在化学当量比、进气压力为0.12 MPa和进气温度为323 K的工况条件下，NOx排放在体积氢气比例为20%时最小，而在40%时最大。而在稀燃条件下，NOx排放随着氢气比例的增大而显著增大。
综上可知，当量比是描述燃料与空气混合比例的参数，不仅直接影响发动机燃烧效率和稳定性，也与NOx和未燃氨排放相关，需要深入理解当量比对发动机燃烧与排放特性的影响。高能点火技术在提升传统汽油机稀薄燃烧性能方面已有研究，但在稀薄燃烧工况下对点燃式氨氢燃料发动机应用高能点火技术的研究仍然不足，这一领域需要进一步的探索和研究。因此，本文基于合适的氢气混合比例以及最佳点火时刻，在贫燃条件下模拟研究氨氢燃料在不同当量比下的发动机燃烧过程，并探索在该工况下发动机稀薄燃烧极限，深入分析不同当量比条件下的发动机燃烧与排放性能；随后引入高能点火系统用以提高氨氢燃料发动机稀薄燃烧稳定性，探究不同点火能量下氨氢燃料发动机的点火特性和燃烧行为，并揭示点火能量对排放性能的影响规律，为优化点火系统设计提供重要参考。
2. 实验方法
2. 实验方法
本研究中发动机三维仿真模型基于一台缸内直喷四冲程汽油发动机建立，表1中提供了发动机的基本参数。利用三维建模软件Solidworks建立了发动机三维模型，全尺寸模型如图1所示。氨气和氢气均由进气道喷射，与空气混合成为预混气后进入气缸内，在上止点附近被火花点燃，由此实现氨氢双燃料缸内燃烧。仿真计算主要涉及进气、压缩和膨胀三个冲程。发动机进气门开启时刻为390 °CA BTDC，排气门开启时刻为168 °CA ATDC，模拟计算区间为390 °CA BTDC ~ 150 °CA ATDC。
表1 发动机基本参数
图1 发动机三维几何模型
氨氢燃料发动机数值仿真研究中广泛使用RNG k-ε模型[15-20]。因此本文选用RNG k-ε湍流模型模拟氨-氢掺混发动机缸内湍流燃烧过程。燃烧模型选用了瞬态详细化学动力学求解器SAGE模型[21]。Szanthoffer等人[22]在广泛的当量比（0-2.44）、温度（298-2489K）和压力（0.5-98.69atm）范围内层流火焰速度、着火延迟、激波管以及射流搅拌器实验数据，对比验证了近期发表的18个氨氢燃烧详细反应机理的模拟和实验结果。该研究证明了综合性能最好反应机理为POLIMI-2020[23]（31个组分，203个反应）。故本研究中选用了该机理进行模拟。在本研究中，我们选用了CONVERGE软件中内嵌的能量堆积模型（Spark-energy Deposition Model），作为模拟点火过程的模型。为了模拟点火行为，该模型在能量守恒方程中添加了一个源项。对于击穿阶段，设置了20 mJ的点火能量，该阶段从点火时刻开始，持续时间为0.5 °CA。至于辉光放电阶段，同样设置了20 mJ的点火能量，从点火时刻开始，持续10 °CA。在这两个阶段中，火花通道的直径均被设定为0.75 mm。
根据前期发动机台架试验数据和仿真经验对边界温度和压力进行了设置。设定初始的压力和温度值与发动机启动时的实际状态基本吻合。
本研究中，整个计算过程中缸体加密等级设为2。点火期间，对火花塞采用球形加密，包括一个直径为3.0 mm的4级加密和一个直径为1.0 mm的5级加密。燃烧期间，燃烧区域包括缸体、进排气口底部、活塞、缸盖表面以及气缸壁等加密等级设为3。基于温度与速度的加密等级为3，速度梯度大于1 m/s和温度梯度大于2.5 K区域的子网格分别细化至2.0 mm和0.5 mm。为了平衡数值模拟时间消耗和数值模拟精度，峰值计算单元被限制为不超过1500万个。本研究中，我们研究了基础网格尺寸对缸内压力的影响（如图2所示）。可以看出，基础网格为3.2 mm和4.0 mm的缸压曲线十分接近，计算结果的差异基本可以忽略，而5.0 mm的缸压曲线明显降低。考虑计算时间成本和准确性，发动机模型的基础网格选择4.0 mm。
本研究首先基于汽油燃料缸内直喷试验获得的缸内压力和放热率曲线对模拟数据进行了标定。仿真模型基于转速为1500 r/min，满负荷的工况条件进行标定，进气温度为319.6 K，进气压力为1.9 bar。图3是试验与仿真计算的缸内压力曲线和放热率曲线的对比结果。缸压曲线的模拟计算值和试验值之间呈现较好的吻合度。选取爆发压力以及其所在相位进行定量对比，其相对误差分别为0.63%和2.8%，模拟值相对试验值的误差均在5%之内，说明模拟数据和实验数据之间吻合较好，建立的发动机三维仿真模型能较准确地模拟发动机的实际工作过程[24]。
本文最终选取了氢气比例为10%，点火时刻为20 °CA BTDC时，模拟了不同当量比（0.6 ~ 1.0）下氨氢燃料发动机燃烧过程。同时，在同一氢气比例和点火时刻下，开展了当量比为0.6，氢气比例（10% ~ 30%）耦合点火能量（40 ~ 160 mJ）时的模拟仿真。本文模拟计算工况条件见下表2。
图2 基础网格尺寸对缸内压力的影响
图3 试验与仿真计算的缸内压力的对比
表2 模拟计算工况条件
3. 结果与讨论
3. 结果与讨论
1
当量比对燃烧的影响
图4(a)和图4(b)展示了氢气比例为10%H2，点火时刻为20 °CA BTDC时，不同当量比时发动机的气缸压力/放热率以及缸内平均温度随曲轴转角的变化曲线。可看到，在化学当量比的条件下，火焰传播速度达到最大，放热率峰值达到最大值，且峰值相位最靠近上止点，故缸内压力峰值和平均温度峰值都达到最大。当当量比为0.9时，最大爆发压力为6.5 MPa，该值已小于原发动机允许限值8 MPa。由于随着当量比的减小，在进气行程中进入缸内的燃料变少，预混混合物更加稀薄，造成了点火不稳定和火焰传播速度减慢，故放热率峰值随当量比减小而下降，放热率峰值相位越偏离上止点。同时，最大爆发压力和缸内平均温度也随着当量比的减小而下降。当当量比为0.6时，由于氨氢混合气较为稀薄，同时氢气比例不足导致反应活性较低，火焰传播速度缓慢，点燃后火焰很快熄灭。因此，在该工况下放热率峰值极低，缸压曲线接近纯压缩曲线。
图4(c)展示了不同当量比（0.6 ~ 1.0）下的燃烧相位图（10%H2，SIT=20°CA BTDC），可发现当量比对燃烧相位影响较为显著。在贫燃条件下，随着当量比的减小，预混混合气越稀薄，使得火焰传播速度过慢，导致CA10、CA50和CA90相位角逐渐推迟，SIT-CA10、CA10-50和CA50-90均呈现逐渐增大的趋势。但当当量比为0.6时，由于混合气过于稀薄，燃烧质量极差，火焰在未传播至整个缸内前熄灭，故导致其燃烧持续期较短。在化学当量比时，火焰温度较高，火焰传播速度达到最大，此时火焰发展期、火焰传播期和火焰加速期最短，分别为19 °CA、14.3 °CA和18.7 °CA。
(a)缸压/放热率曲线
(b)缸内平均温度
(c)燃烧相位
图4 不同当量比下的缸压、放热率、缸内平均温度
和燃烧相位
图5展示了10 °CA BTDC~50 °CA ATDC之间不同当量比（0.8-1.0）下的缸内截面温度演变图。可看到，在化学当量比时，已燃中心区域温度最高。同时，温度升高迅速，火焰锋面在20 °CA ATDC时已传播至近缸壁，火焰传播速度最快。随着当量比从化学当量比降低至0.8，已燃区温度逐渐降低，火焰发展期、火焰传播期的火焰速度传播速度明显减缓。同时也可观察到：随着当量比的降低，燃烧初期火焰锋面的褶皱明显，说明火焰传播的不稳定性加大。
图5 不同当量比下缸内截面温度演变图
2
当量比对排放的影响
图6展示了不同当量比下未燃氨、NO和N2O排放（10%H2，SIT = 20 °CA BTDC）。首先对未燃氨排放随当量比变化的规律进行分析。可观察到，随着当量比的增大，未燃氨排放先减小后增大，在化学当量比时，未燃氨排放达到了近零水平。当当量比为0.6时，混合物过于稀薄导致缸内燃烧骤然恶化，火焰尚未在整个缸内发展传播，故未燃氨排放骤增。当量比从0.6增大到0.8时，未燃氨排放减小幅度较为显著。再继续增大至1.0，未燃氨排放水平减少幅度减缓。因为在贫燃条件下，已燃区温度下降，火焰传播速度减慢，氨燃料消耗随之减慢，且缸内壁面处的燃烧温度较低，导致最终未燃氨排放显著提高，且大多分布在缸壁处。在化学当量比时，燃烧较充分，未燃氨排放最少。
现对NO排放随当量比变化的规律进行分析。由图6可知，随着当量比的增大，NO排放先增大后减小，与未燃氨排放趋势相反。相对于化学当量比时，在当量比为0.6和0.7时，NO排放水平较低，为1.65 g/kWh和1.11 g/kWh。而当当量比为0.9时，NO排放达到峰值，其值为14.2 g/kWh。图7展示了不同当量比缸内各组分摩尔分数随曲轴转角的变化曲线。图8展示了不同当量比下（0.8-1.0）在-10 °CA~50 °CA之间的缸内截面NO和N2O摩尔分数分布演变。由图7(a)可看到：NO摩尔分数峰值出现在当量比为0.9，达到峰值后仍保持较高生成水平，最终NO排放最大。如图4(b)和图5所示，相较于化学当量比，在当量比为0.9时，缸内平均温度峰值虽然降低至1800 K以下，但已燃区温度仍保持在1800 K以上，具有热力型NO生成的温度条件。同时，富氧条件也加快了N2氧化，故热力型NO生成增多。该现象也可从图8(a)中观察到，当量比为0.9时，高温已燃区高摩尔分数NO的面积增大，表明热力型NO贡献较大，故NO排放迅速增大。当量比从0.9减少至0.8时，缸内NO摩尔分数峰值下降，且达到峰值后快速消耗，呈现逐渐下降趋势。此时，热力型NO生成相对减少，归因于火焰温度仍在降低（如图6所示），高温反应区持续时间的缩短使得N元素停留时间变短。另外，如图7(b)所示，混合物变得更加稀薄，OH、O、H等活性自由基摩尔分数持续减少导致氨燃料氧化速度持续减慢，燃料型NO生成持续减少。因此，在当量比0.8-0.9区间内，总体NO排放随当量比的减少而降低。
图6 不同当量比下未燃氨、NO和N2O排放
对于N2O，由图6可观察到，N2O排放量随着当量比的增大而减小。从图7(a)中可发现，其最大摩尔分数峰值出现在当量比为0.8时。N2O排放随着当量比的增加而降低，特别在贫燃条件下明显降低，在化学当量比和富燃条件下基本达到近零排放。这是因为在贫燃条件下，H自由基摩尔分数大幅度降低促进了通过NH+NO生成N2O的反应，同时也抑制了N2O的消耗反应。而富燃时，H自由基摩尔分数则有明显增加导致了N2O摩尔分数的增高。从图8(b)也可观察到，随当量比的增加，火焰前锋面附近高摩尔分数N2O区域面积逐渐变薄。
(a) NO、N2O和HNO摩尔分数曲线
(b) OH、H和O摩尔分数曲线
图7 不同当量比下各组分摩尔分数曲线
(a)NO摩尔分数演变图
(b) N2O摩尔分数演变图
图8 不同当量比下的缸内截面NO和N2O摩尔分数演变图
3
当量比对发动机性能和效率的影响
图9展示了不同当量比（0.6-1.0）下发动机指示平均有效压力、燃烧效率和指示热效率情况。可以看出，最大指示平均有效压力、燃烧效率和指示热效率出现在化学当量比的条件下，分别为21.1 bar, 98.7%和40.6%。随着当量比从1.0减小到0.7，指示平均有效压力、燃烧效率和指示热效率分别缓慢减小至10.7 bar, 89.6%和27.5%。而当当量比由0.7减少至0.6时，缸内燃烧表现较差，进而导致指示平均有效压力、燃烧效率和指示热效率极低。这是由于随着当量比的减少，燃烧速度过于缓慢，导致了燃烧相位较为滞后，燃烧持续期显著变长，使更多的热量释放于膨胀冲程，发动机做功能力变差，故指示平均有效压力和指示热效率降低。同时，燃烧速度过慢也使未燃氨排放显著提高，导致燃烧效率降低。
图9 不同当量比下的
指示平均有效压力、燃烧效率、指示热效率
4
点火能量对燃烧的影响
本节将对不同氢气比例下点火能量对燃烧性能的影响进行分析。图10(a)和10(b)展示了稀燃条件（Φ = 0.6）下不同点火能量（40 mJ、100 mJ和160 mJ）和氢气比例（10%、20%和30%）下的氨氢发动机缸内压力/放热率曲线以及缸内平均温度曲线。由图10可以看出，随着点火能量的增大，缸内压力、放热率和平均温度峰值呈逐渐增大的趋势，且峰值相位逐渐提前。在同一氢气比例下，随着点火能量增大，缸内压力和放热率曲线的变化趋势基本一致。在氢气比例为10%时，点火能量为40 mJ时，通过增大点火能量到100 mJ，缸压和放热率峰值升高较为明显，缸内燃烧平均温度增大；点火能量持续增大至160 mJ时，缸压、放热率和缸内温度的提升效果较小。这说明在该稀薄燃烧条件下，点火能量的提高促进了氨氢燃料发动机燃烧过程，这有利于拓展其稀薄燃烧极限。然而，点火能量达到一定程度后，火焰传播速度和稳定性的提升效果逐渐减弱。从中图4(a)和图4(b)也可直观看出同一点火能量下，随着氢气比例的增大，缸压、放热率和温度峰值增大幅度显著。这也说明了在稀燃条件下，较低氢气比例时，单一提高点火能量无法维持火焰稳定性，还需通过增加氢气比例的手段来提高混合气的反应活性，以更好促进燃烧。
图10(c)展示了在不同氢气比例下点火能量对燃烧相位的影响。可看出，氢气比例为10%时，点火能量从40 mJ增大至100 mJ时，火焰发展期不变，火焰传播期和火焰加速期明显延长。这是因为氢气比例为10%和点火能量为40 mJ时，火焰传播速度过慢，难以维持稳定燃烧过程，导致燃烧不完全且燃烧持续时间较短。增大到160 mJ时，火焰发展期和火焰传播期缩短，但火焰加速期不变。总体上，氢气比例为10%时的燃烧持续期短于氢气比例为20%时。在氢气比例为20%和30%时，点火能量对燃烧相位的影响趋势基本一致。随着点火能量的增大，火焰发展期、火焰传播期以及火焰加速期逐步缩短，燃烧重心CA50时刻前移。尤其在点火能量从40 mJ增大至100 mJ时，燃烧持续期缩短幅度较明显，继续增大缩短程度减小。这是因为随着点火能量的增大，燃烧持续期而减小。这说明了适当提高点火能量可优化燃烧相位，从而获得较好的燃烧性能。需注意，过高的点火能量也会使得燃烧相位过于靠前，可能对燃烧稳定性造成不利影响。
图11展示了当量比为0.6，10%氢气比例时，不同点火能量和氢气比例下的缸内温度分布演变。从燃烧室截面可观察到，在点火能量为40 mJ条件下，火焰锋面在上止点时在纵向上已传播至活塞顶部，而随着点火能量的增大，火焰锋面传播至活塞顶部的曲轴转角明显提前。这说明增大点火能量可加快了燃烧初期的火焰速度，有效增大了火焰面积。
(a)缸压/放热率曲线
(b)缸内平均温度
(c) 燃烧相位
图10 不同氢气比例下点火能量
对缸压、放热率、缸内平均温度和燃烧相位的影响
图11 不同点火能量下的缸内温度分布（H2% = 10%）
5
点火能量对排放的影响
图12分别展示了当量比为0.6的稀薄燃烧条件下不同点火能量耦合不同氢气比例下的未燃氨、NO和N2O排放。可看出，同一氢气比例条件下，随着点火能量的增大，未燃氨、NO和N2O排放下降；同一点火能量下，随着氢气比例的增大，未燃氨、NO和N2O排放也呈下降趋势，这与前文结论一致。同时，也可发现氢气比例越大，未燃氨、NO和N2O排放下降幅度越大。这表明在低氢气比例时点火能量对排放的改善效果较为显著，且氢气比例对于点火能量对于排放的影响更大。在氢气比例为30%的条件下，点火能量为160 mJ时，NO、N2O和未燃氨排放分别维持在0.18 g/kWh、0.8 g/kWh和2.37 g/kWh。
(a)未燃氨排放
(b)NO排放
(c) N2O排放
图12 不同氢气比例下点火能量对
未燃氨、NO和N2O排放的影响
图13(a)为氢气比例为10%，不同点火能量下的NO、N2O和HNO摩尔分数曲线对比。可看到NO、N2O和HNO摩尔分数峰值随着点火能量的增大而增加，尤其是从40 mJ增大到100 mJ时增加较显著。由图13(b)可知，点火能量增大促进了OH、H和O自由基生成。这意味着燃烧初期缸内燃烧速率加快，符合图10(a)中的现象。由图14(a)和图14(b)可发现随着点火能量的增大，NO和N2O生成加快。在稀燃条件下，高摩尔分数NO主要分布于火焰锋面处，这表明此时燃料型NO占主导地位。这是由于已燃区温度较低，热力型NO生成较少。
(a)NO、N2O和HNO摩尔分数曲线（10%H2）
(b)OH、H和O摩尔分数曲线（10%H2）
图13 不同点火能量下各组分摩尔分数曲线（10%H2）
图14 不同点火能量下的NO和N2O摩尔分数演变图
6
点火能量对性能和效率的影响
图15展示了不同氢气比例下点火能量对指示平均有效压力、燃烧效率和指示热效率的影响。从图15(a)可看到，指示平均有效压力随着点火能量和氢气比例的增大而有所提高。在10%，20%和30%氢气比例下，点火能量从40 mJ增大到100 mJ时的指示平均有效压力增幅分别为175%，5.6%和5.5%，而点火能量从100 mJ增大到160 mJ时的增幅分别为9%，2.6%和0.7%。这说明同一氢气比例下点火能量从40 mJ增大到100 mJ时，指示平均有效压力的增幅较为显著，再继续增大则效果不明显。同时当点火能量为40 mJ，100 mJ和160 mJ时，氢气比例从10%增大至20%时的指示平均有效压力增幅分别为430%，104%和91.7%，而氢气比例从10%增大至20%时的增幅分别为18.9%，18.8%和16.5%。这表明同一点火能量下氢气比例从10%增大到20%时的指示平均有效压力增幅较大。对于燃烧效率（如图15(b)所示）和指示热效率（如图15(c)所示）也有类似的规律，这里不再赘述。在当量比为0.6的稀薄燃烧条件下，160 mJ的点火能量耦合30%的氢气比例时，指示平均有效压力，燃烧效率和指示热效率达到最大，分别为13.4 MPa，98.7%和38.7%。
(a)指示平均有效压力
(b)燃烧效率
(c) 指示热效率
图15 不同氢气比例下点火能量对指示
平均有效压力、燃烧效率和指示热效率的影响
4.结论
4.结论
本文研究了在贫燃条件下当量比对点燃式氨氢燃料发动机燃烧与排放的影响，并进一步在不同氢气比例下探索了点火能量对氨氢燃料发动机稀薄燃烧极限的拓展作用，分析了不同点火能量时氨氢发动机的燃烧与排放表现。主要结论如下：
(1)当量比对发动机燃烧与排放性能有显著影响。在贫燃条件下，随着当量比的减小，预混混合气更加稀薄，火焰传播速度减慢，导致放热率峰值下降，缸内压力和平均温度峰值降低，最大爆发压力小于原发动机允许限值8 MPa。但随着当量比减小，火焰传播速度减缓，燃烧持续时间变长。对于排放，NO排放与N2O和未燃氨排放都存在trade-off的关系。随着当量比的增大，NO排放先增大，N2O和未燃氨排放趋势与之相反。在当量比为0.6和0.7时的NO排放水平分别为1.65 g/kWh和1.11 g/kWh，相比于化学当量比时低。但当化学当量比时，NO、N2O和未燃氨总排放最少。而当量比为0.9时，NO排放达到峰值，为14.2 g/kWh。
(2)适当增大点火能量能够提高火焰传播速度和稳定性，优化燃烧相位，进而得到较好燃烧性能。在稀燃条件下，随着点火能量的增大，缸内压力、放热率和温度峰值均呈上升趋势，且峰值相位提前。未燃氨、NO和N2O排放随着点火能量的增大而下降。低氢气比例时点火能量对燃烧与排放的改善效果较为显著。氢气比例相较于点火能量对发动机燃烧与排放性能影响更大。
(3)发动机指示平均有效压力、燃烧效率和指示热效率在贫燃时与当量比正相关，且随着点火能量的增大而有所提高。点火能量从40 mJ增大到100 mJ时，三者的增幅较为显著，再继续增大则效果不明显。在当量比为0.6的稀薄燃烧条件下，160 mJ的点火能量耦合30%的氢气比例时，最大爆发压力可降低至8 MPa以下，指示平均有效压力，燃烧效率和指示热效率达到最大，NO、N2O可达到近零排放。
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