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第 13 卷第 4 期2023 年 7 月汽车工程学报Chinese Journal of Automotive EngineeringVol.13No.4July 2023氨燃料汽车发动机燃烧技术研究进展丁 颖，韩 东，黄 震（上海交通大学 动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240）摘要：为缓解全球气候变暖，可考虑在汽车发动机上燃烧零碳氨燃料以减少碳排放。但由于氨（NH3）的燃点高、最小点火能量高以及燃烧缓慢等劣势，需要借助氢气（H2）作为助燃剂，帮助改善氨燃料发动机的燃料燃烧过程。针对国内外相关文献进行综述，总结了氨氢双燃料发动机掺混燃烧调控方法的研究进展，并分析了氨催化分解制氢与氨燃料发动机耦合的研究现状，发现采用氨燃料在线重整制氢可以避免采用双燃料供给系统。研究结果表明，氢气助燃能提高氨燃料发动机的燃烧速度，降低NOx的排放量。对于氨燃料发动机依旧存在的动力性能下降和未燃氨气排放等问题，仍需在今后的研究中探索解决。关键词：汽车发动机；零碳燃料；氨气；氢气中图分类号：U464文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.20951469.2023.04.01Research Progress on Combustion Technology for Ammonia-Fueled Automotive EnginesDING Ying，HAN Dong，HUANG Zhen（Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）Abstract:To alleviate global warming,ammonia is being considered as a zero-carbon fuel for automotive engines to reduce carbon emissions.However,due to the disadvantages of ammonia,such as high auto-ignition temperature,high minimum ignition energy and low laminar flame speed,it is necessary to use hydrogen as a promoter to improve the combustion performance of the ammonia-fueled engine.The paper provides a comprehensive review of relevant literature,summarizing the research advancements in combustion control methods for ammonia/hydrogen dual-fuel engines.It also analyzes the state of research on the coupling between catalytic decomposition of ammonia for hydrogen production and ammonia engines.It is found that the on-board decomposition of ammonia to produce hydrogen can avoid the use of dual fuel supply systems.The results show that the use of hydrogen as a combustion promoter increases the combustion rate of ammonia engines while reducing the emissions of nitrogen oxides.However,issues such as power performance deterioration and unburned ammonia emissions still exist in ammonia engines.These challenges call for further investigation and resolution in future studies.Keywords:automotive engine;zero carbon fuel;ammonia;hydrogen收稿日期：20230515改稿日期：20230528基金项目：上海市科技创新行动计划国际合作项目（22170712600）参考文献引用格式：丁颖，韩东，黄震.氨燃料汽车发动机燃烧技术研究进展 J.汽车工程学报，2023，13（4）：437-443.DING Ying，HAN Dong，HUANG Zhen.Research Progress on Combustion Technology for Ammonia-Fueled Automotive EnginesJ.Chinese Journal of Automotive Engineering，2023，13（4）：437-443.（in Chinese）汽车工程学报第 13 卷汽车发动机燃烧汽油、柴油等化石燃料，产生了大量的温室气体，对全球气候造成严重影响。随着全球温室效应的日益加剧，我国制定碳减排战略目标，即CO2排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取 2060年前实现碳中和1。目前，我国交通运输的碳排放量占我国碳排放总量的8.9%，尤其是公路运输，占全国交通运输行业碳排放总量的82.1%，降低公路运输行业产生的碳排放量成为我国实现“双碳”战略目标的关键。为早日达成这一战略目标，公路运输行业必须从使用传统含碳燃料为主，向新型能源转变。在庞大的能源体系中，作为零碳燃料的氨燃料，以其相对成熟的工业合成和存储运输设施，以及在生产、运输和使用过程中比较安全等优势，被视为汽车发动机的新型替代燃料。同时，氨不含碳元素，只含有氢元素和氮元素，在完全燃烧之后，不会产生温室气体CO2。但由于氨自燃温度高，点火能量高，燃烧速度低等特点，氨燃料在汽车发动机上的应用仍有诸多技术难点需要攻克。为了弥补氨燃料燃烧缓慢的短板，结合氢点火能量较低、燃烧速率快等优势，将氢作为一种助燃剂来改善氨气发动机缸内的燃烧状态。同样，作为零碳燃料的氢被认为是最清洁的能源，完全燃烧后只生成水。然而，目前氢的应用因其储存运输困难，以及在发动机上早燃及回火等问题，仍存在很多技术难题。本文分析了氨氢混合燃料作为汽车发动机燃料的优势及技术挑战，并探讨氢作为助燃剂在氨氢双燃料发动机上的燃烧技术，以及纯氨燃料发动机的即时催化分解制氢技术的进展。1氨燃料理化特性及分析氨已有长达百年的应用历史，工业化生产技术已相当成熟。目前，我国合成氨企业通过采用新型合成氨装置，改善合成氨工艺流程，设有氢回收系统等技术手段，逐步向氨制备低碳化转变，从而达到减排降碳的目的。较氢而言，氨在生产、运输和储存的过程中更加安全可靠，具有成熟完备的基础储运设施，作为汽车燃料使用时，无需对基础设施做大规模的改造和成本投入。1.1体积能量密度相较于传统燃料汽油和柴油的高体积能量密度而言，氨燃料的体积能量密度相对较低，只有传统燃料的1/3左右，但与氢燃料和天然气相比，氨燃料却至少高出了25%3。1.2燃烧特性与常见的汽油、柴油、氢、天然气4类燃料相比，氨燃料有更高的自燃温度，这使其在压燃式发动机中燃烧时需要更高的压缩比。同时，氨燃料也具有最高的最小点火能量，需要高能点火方式才能应用于点燃式发动机中。氨燃料的可燃极限体积分数为 15.8%28.0%4，相较于氢燃料的可燃范围而言狭窄很多，不利于发动机的稀薄燃烧。氨的火焰传播速度缓慢，仅为汽油的1/6左右，不利于其应用于汽油发动机中，易造成汽油发动机的不完全燃烧。因氨具有较高的汽化潜热，导致液氨在发动机缸内燃烧汽化时需要吸收大量的热，使燃烧温度显著降低，燃烧状态恶化。1.3辛烷值氨燃料的辛烷值高达1105，与汽油相比，有更好的抗爆性能。因此，当氨作为发动机燃料时，可确保发动机高压缩比运行，从而避免爆震。1.4燃烧产物氨只含有氮和氢两种元素，在完全燃烧的条件下不会产生温室气体CO2。但是，当氨作为汽车燃料燃烧时，在产生水和氮气的同时，也不可避免地产生NOx排放，这可能导致酸雨的形成，危害生态环境。1.5毒性和腐蚀性氨具有轻微毒性和刺激性气味，与人接触会灼伤皮肤，损伤眼睛和呼吸器官黏膜。氨还具有腐蚀性，对铜、银、锡、锌等金属及其合金材料都有腐蚀作用，因此，对发动机的部件材料提出了耐腐蚀需求。438第 4 期丁颖 等：氨燃料汽车发动机燃烧技术研究进展2氨燃料发动机的技术挑战氨燃料发动机在应用过程中还存在诸多的技术瓶颈。相较于传统燃料，当氨燃料应用到汽车发动机时，由于其燃点高，难以自燃，通常需要采用高压缩比才能保证混合气被点燃。氨燃料经发动机燃烧后，尾气中含有NOx和未燃的氨气，一般是利用选 择 性 催 化 还 原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术来降低NOx和氨气的排放。这种尾气后处理的方式有两方面的优势。首先，利用燃料系统已有的氨来替代SCR中的尿素，可简化车辆储存供给系统的部件，实现利用氨来处理尾气排放，减少残余未燃氨气和 NOx6-7。其次，SCR中的催化剂最佳工作温度范围约为600700 K，可充分利用发动机排气温度中的余热为 SCR 中的催化剂提供热量，实现了余热回收。氨燃料发动机具有巨大的发展潜力，但由于其显著的缺点，需要其他助燃剂来改善发动机缸内的氨燃料燃烧过程。常见的助燃剂有汽油、柴油、氢和二甲醚等，其中，氢燃料因其为零碳清洁燃料，单位质量低热值高，最小点火能量极低，且有很宽的着火范围，燃烧温度高，火焰传播速度快等各种优点而被认为是良好的助燃剂，可实现氨氢掺混燃烧的性能互补。3氨燃料发动机的应用研究3.1氨氢双燃料发动机掺混燃烧技术发动机受限于氨燃料的劣势，燃烧性能不佳，造成发动机燃烧不充分，效率低下。以碳基燃料，如乙炔，二甲醚，汽油和柴油等，作为氨燃料发动机的助燃剂在众多的试验研究中已得到验证，但仍不可避免地产生温室气体排放，阻碍“双碳”战略目标的实现。同样，作为零碳燃料的氢燃料，以其清洁零排放等优点，成为改善氨燃料发动机燃烧性能的首选助燃剂。目前，想要在普通发动机上实现氨氢双燃料掺混燃烧，仅需对发动机做较少的机械改造即可，这在意大利比萨大学FRIGO等8-9的研究中得到了验证。FRIGO等对一台0.505 L排量的双缸点燃式发动机进行进气歧管和喷油器的机械改造，开发了氨氢双燃料供给系统。试验结果表明，通过掺氢可改善氨燃料的缸内燃烧性能，其掺混比主要取决于发动机负荷，而非发动机转速，在满负荷时需达到最低氢氨能量比约为7%，半负荷时约11%可以保证发动机正常稳定地运转，循环变动系数小于10%。丹麦技术大学 MRCH 等7同样发现氨氢掺混燃烧技术适合点燃式发动机，当氨氢混合燃料中氢气的体积分数为10%时，发动机效率和平均有效压力最高。同时，当混合燃料掺氢比较高，过量空气系数在1.11.4之间时会导致发动机排放最多的NOx。WESTLYE 等10利用同一台单缸 0.612 L 排量的CFR发动机来测试一种混合燃料，其氨气和氢气的体积分数分别为80%和20%，以此研究氨氢掺混燃烧下的NOx排放。研究表明，NO来源于其他反应途径，而不是氮气分子的分解；与汽油燃料的结果相比，NO2的含量更高，但在NOx排放总量中所占的比例相对较低（3%4%）。在接近化学计量的混合气体中，由于燃烧温度较低，NO和NO2的排放量整体低于汽油燃料的结果。LHUILLIER 等11-12对预混合氨