氨燃料汽车发动机燃烧技术研究进展.pdf

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/氢/空气混合燃料的单缸点燃式发动机的燃烧性能、特性和排放特性进行综合评估。研究表明，在低加氢和中等加氢条件下，且分别在略微富燃和略微稀燃的条件下，可获得发动机的最高指示压力和效率。少量的氢作为助燃剂可提高发动机的性能和稳定性，主要有利于燃烧的早期阶段，较高的掺氢比反而会导致发动机效率降低。综合权衡发动机的指示效率、NOx排放以及燃烧效率等因素，发现掺氢体积比约为10%时，可保证发动机的燃烧效率和指示效率，同时降低了NOx、NH3的排放。法国奥尔良大学 MERCIER 等13模拟氨燃料分解后的混合气与氨气混合后在点燃式发动机的缸内燃烧，研究氨分解对单缸发动机性能和尾气排放的潜在影响。研究表明，氢气的掺混提高了发动机的燃烧效率，降低了未燃氨气的排放，但会造成尾气排放中含有不到 2%的氢气；当模拟氨气分解15%时，N2O的排放量会达到6010-6，但是可通过调整当量比从而显著降低NOx排放量。439汽车工程学报第 13 卷除点燃式发动机以外，氨氢掺混燃烧技术还被应用在均质充量压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）发动机中。POCHET等14在压缩比为161的HCCI发动机中，通过提高进气压力和进气温度使氨气体积掺混比达到70%。试验表明，提高压缩比和进气压力可以最大限度地降低发动机进气温度，从而最大限度地提高指示平均有效压力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）和发动机功率。同时，通过安装的尾气循环系统可以更大限度地降低尾气中的 NOx排放量。在后续的研究中15，HCCI发动机的压缩比被调至221，并成功实现从纯氢到体积分数为 94%的氨气的掺混燃烧。试验结果表明，掺氢比例对指示热效率的影响不明显，但对发动机的其他输出有较大影响。与纯氢相比，氨的IMEP提高了50%，同时保持了同等的燃烧效率，高压缩比对纯氢性能并没有影响。氨氢发动机燃烧过程易产生未燃氨气和NOx的排放。针对此问题，KOIKE等16开发了专门的氨气吸附装置，用于吸附冷启动过程中产生的未燃氨，从而防止其泄露到大气中。试验研究发现，可通过延迟点火正时和提高燃料掺氢比来提高氨气在冷启动时的燃烧效率，同时也可提高发动机的排气温 度，从 而 达 到 减 少 氨 气 排 放 量 的 目 的。WESTLYE等10在试验中利用 SCR 技术对氨氢发动机尾气中的NOx进行处理。研究发现，当催化剂温度维持在300450 时，NO的处理效率较高，并且利用发动机尾气温度就可为催化剂提供工作温度，使用氨气替代尿素作为原料从而降低 NOx排放量。3.2基于氨分解制氢的氨燃料发动机研究随着氨氢掺混燃烧技术的发展，氢气的不易存储运输以及复杂的多套燃油供给系统等问题促使各国学者对纯氨燃料发动机的燃烧技术进行探索。其中，HEYWOOD等17提出通过在线即时氨催化分解制氢来实现纯氨发动机稳定运行。此研究未采用双燃料供给系统，而是利用氨燃料催化分解出来的氢气作为燃料助燃剂，通过2NH3 3H2+N2的化学反应原理，即时生产出氢气，再利用氮气和少量的残余氨气来改善氨气的缸内燃烧性能。采用发动机排气驱动的涡轮增压系统，一方面可提高氨气的进气量从而提高发动机的容积效率，使发动机的输出效率显著增加；另一方面，废气的残余热量为氨气催化分解装置中的催化剂提供了部分的反应温度，这使氨气催化分解制氢的吸热反应可以重新回收利用发动机损失热量。反应装置内的电加热辅助系统可帮助液氨及催化剂在冷启动时更好地汽化，以及快速达到催化分解所需的工作温度。RYU等18采用氨催化分解制氢缸内直喷和汽油进气道喷射的双喷燃料发动机，如图1所示。此研究利用包覆2%钌的催化剂来分解氨气制氢，生成所含氢气的混合气被直喷进入发动机缸内。其中，尾气的排气走向与安置于排气管中的催化分解装置中的氨气走向相反，从而回收利用尾气中的残余热量，降低了电热辅助装置的能耗，如图 2 所示。研究结果表明，氨催化分解所产生的H2燃烧可以改善发动机性能，减少尾气中的CO、HC化合物以及NOx排放量。其中氨气的转化率受氨气流量的影响，催化效果在中低流量下非常有效，显著提高了发动机功率，降低油耗。为实现纯氨发动机的稳定燃烧，COMOTTI等19和FRIGO等20在2015年成功开发了一个可即时制氢达 1.4 Nm3h-1流量的产氢系统（Hydrogen 图1发动机安装示意图18图2氨催化分解反应装置安装示意图18440第 4 期丁颖 等：氨燃料汽车发动机燃烧技术研究进展Generation System，HGS），并将其与一个505 cm3排量的双缸四冲程发动机进行耦合。其中，HGS系统的主要部件是一个装有钌基催化剂的催化分解反应装置。该系统中配备内置温度传感器和电加热装置，既可保障在发动机冷启动模式下的正常催化剂的工作温度，也可利用发动机排出的尾气余热为催化剂分解氨气制氢提供必要的工作温度。研究结果表明，较低的氢气流量可以实现发动机正常运行，但在发动机试验中使用较大的氢流量，虽然有利于提高发动机整体燃油经济性和循环稳定性，却也导致了更高的NOx的排放量。在此研究中并未实际解决发动机冷启动的问题，发动机启动时仍需氢气钢瓶供给燃料的辅助。KOIKE等21开发出氨催化分解反应装置，并将其与2.147 L排量的单缸汽油发动机相耦合并进行试验。该研究也同样未实现纯氨燃料发动机的独立运转。但此研究同样采用了氨气催化分解制氢技术，如图3所示。其催化分解反应装置中采用Rh/CeO2/ZrO2催化剂进行氨燃料的催化分解制氢，并采用电加热方式为催化剂提供反应温度。研究结果表明，使用氨催化分解制氢技术，可将汽油的比例从70%降至30%；同时，当产氢能量替代40%的氨气能量时，混合气燃烧速率与汽油混合气相当。KOIKE等22在2021年再次利用氨气催化分解反应器制氢技术与发动机相结合，解决了纯氨燃料发动机长期存在的单一燃料供给系统的冷启动问题。试验结果表明，通过电加热催化剂分解氨燃料生成的氢气可加快发动机的启动过程。在氢气与氨气摩尔比为21的条件下，可实现纯氨燃料发动机的稳定高怠速运行。4结论和展望4.1结论在我国“双碳”战略目标的背景下，由于氨燃料具有不含C元素、易于储存运输、良好的抗爆性能等优势，所以有望成为汽车发动机的新型燃料，在未来降低我国对传统能源的依赖。但受限于氨燃料自燃温度高、最小点火能量高、燃烧速度缓慢等缺点，氨燃料发动机的应用仍存在诸多技术难题。通过开发发动机双燃料供给系统，以氢气作为助燃剂，利用其燃烧速度快、点火能量低等优点，应用氨氢掺混燃烧技术，只需少量的氢气掺混就可大幅度改善发动机的燃烧稳定性，提高发动机燃烧效率和动力输出，但NOx排放过高的问题仍旧存在。为解决这一问题，通常应用选择性催化还原技术，利用氨氢发动机现有的氨替代尿素参与催化反应，对NOx和未燃氨气进行催化还原处理，从而降低发动机排放。此外，利用氨气催化分解制氢技术可以简化发动机的燃料供给系统部件和减少燃料种类；通过汽车发动机的尾气余热为催化剂提供必要的工作温度以即时产氢，从而改善发动机缸内燃烧性能，实现纯氨发动机的循环稳定燃烧。但由于氨燃料发动机冷启动响应时间较长，发动机排气温度达不到催化剂分解制氢所需的工作温度，需要通过外设电加热装置来为催化分解反应装置提供热源。这种模式下的纯氨发动机，在排放初始阶段，尤其是启动状态下会产生大量的未燃氨气，需要通过添加吸附装置等方式，降低未燃氨气的排放。4.2展望尽管关于氨燃料汽车发动机的研究不断进展，未来氨燃料发动机在其燃烧性能、排放特性以及燃料供给等方面仍存在着诸多技术问题需要进一步研究。对于氨氢双燃料发动机掺混燃烧技术，需要进一步研究氨氢掺混比例、气流流动组织及燃料喷射策略等对氨氢混合燃料火焰传播、燃烧速率和污染物生成的影响规律，掌握抑制氨氢燃料异常燃烧的方法，发展氨氢混合气稳定燃烧策略。尽管双燃料图3氨催化分解反应装置示意图21441汽车工程学报第 13 卷或混合燃料燃烧技术能改善氨燃料发动机燃烧性能，但也会导致汽车燃料供给系统复杂化，随之带来材料兼容和燃料储存等问题。因此，在未来研究中，需要开展氨燃料发动机的燃料供给系统设计与燃料材料相容性研究。针对氨催化分解制氢技术在纯氨发动机启动阶段存在的技术问题，需要优化启动阶段的燃料供给策略，提高制氢反应装置的响应速度，缩短发动机的启动时间。此外，氨催化分解制氢通常需要外设电加热装置，为摆脱这种依赖，需要更高效地利用发动机尾气余热，优化催化剂配方设计，并更深入地探索低温催化分解制氢技术。而对于氨燃料发动机一直存在的含氮污染物排放问题，则需要在排放后处理过程中优化后处理反应器设计，提高后处理催化转化效率，实现污染物在低温条件下的高效转化。参考文献（References）1 张庭婷，梁晓静，吕强，等.面向碳中和的汽车行业碳排放核算 J.汽车工程学报，2022，12（4）：341-350.ZHANG Tingting，LIANG Xiaojing，LYU Qiang，et al.Vehicle Carbon Emission Accounting for Carbon NeutralityJ.Chinese Journal of Automotive Engineering，2022，12（4）：341-350.（in Chinese）2 叶飞，程文.中国道路交通碳排放研究进展分析 J.交通节能与环保，2021，17（1）：1-6.YE Fei，CHENG Wen.Research Progress on Carbon Emissions of Road Traffic in China J.Transport Energy Conservation&Environmental Protection，2021，17（1）：1-6.（in Chinese）3 ZAMFIRESCU C，DINCER I.Ammonia as a Green Fuel and Hydrogen Source for Vehicular Applications J.Fuel Processing Technology，2009，90（5）：729-737.4 RYU K，ZACHARAKIS-JUTZ G E，KONG S C.Per-formance Characteristics of 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