掺氨燃料在四冲程内燃机中的排放特性

楚育纯，周 梅，王兆林，陈 锦，胡晓慧，郑淞生

(厦门大学能源学院，福建厦门361102)

随着全球汽车保有量的不断增加，化石燃料的消费量逐年增长，化石燃料燃烧产生了大量的污染物，尤其是排放的CO2带来了严重的温室效应，与此同时化石燃料的储量也越来越少.在环境和能源危机的背景下，传统内燃机车的发展面临巨大挑战，急需寻找清洁高效的替代燃料.目前适用于内燃机的替代燃料主要有甲醇、乙醇、生物柴油、二甲醚和天然气等[1-5]，这些替代燃料为碳基燃料，燃烧时会产生大量CO2，仍需寻找清洁的无碳燃料.

氢作为主要的无碳燃料[6]，可由清洁能源制得，从而显著减少CO2的排放，因此应用前景广阔.氢作为替代燃料的研究已进行多年，但由于其理化性质的限制，在推广应用方面仍然存在一定的困难.其中氢气的储存与运输是氢能技术推广的瓶颈问题之一.目前高压储氢是世界上最常用的氢气储存方式之一，但由于氢气的密度很小，需要很高的储氢压力才能达到一定的体积能量密度，储氢效率很低[7]，如当储氢压力为35 MPa、温度为298 K 时，存储每千克的氢气需要消耗2.2 kWh的电能[8].由于氢气的体积能量密度小，氢内燃机的动力性较传统内燃机差[9]，而且其NOx排放更高，对过量空气系数的变化十分敏感，这对氢内燃机的控制提出了巨大的挑战[10].此外，氢内燃机还存在早燃、回火、功率下降等问题[11]，这些都限制了氢内燃机的大规模普及.

为此，人们积极探索载氢的无碳燃料，其中氨就是典型的氢载体.氨可由可再生能源(如光伏、风电等)制得，利用可再生能源电解水制氢气，空气分离制氮气，进一步合成氨即可获得零碳排的氨，同时该过程还可消纳可再生能源弃电[12].表1给出了氢、氨2种无碳燃料和4种常见碳基燃料的物化及燃烧特性参数，可以看出：氨是一种富氢物质，含氢质量分数达到17.6%，体积含氢密度为121 kg/m3，分别为液氢和甲基环己烷(71.1和47.3 kg/m3)的1.7倍和2.6倍[8]，是一种理想的氢载体[2];氨作为一种无碳燃料，在室温下易于低压液化，液化压力仅为1 MPa，或者在常压下降温至-33 ℃液化[15]，比氢气的储存更经济、更安全；氨的辛烷值高达110，抗爆性能良好，其高燃点大大降低了氨火灾危险性，使其成为生产运输过程中相对安全的化学品.此外，氨还是世界上产量最多的无机化合物之一，尽管氨具有一定的毒性，但氨的生产、储存、运输都有完备的基础设施支持，这也为氨燃料的推广打下了良好的基础[16].

表1 氨与其他燃料的燃烧特性比较[7,13-14]Tab.1 Ammonia combustion characteristics compared with other fuels[7,13-14]

氨作为燃料的应用已经有数十年的历史.早在1960年，美国航空航天局的X-15型火箭就以氨和液氧作为燃料，飞上太空并创下人类航空史上最高时速纪录[17].随后美国军方进行了一系列氨燃料内燃机的应用实验，发现氨需要部分分解，或者在较高的压缩比和空气进气温度下，发动机才能正常运行[18].

近年来，为了减少碳排放并推广氢能，氨燃料的相关研究逐渐增多，包括在往复式内燃机和燃气轮机上的应用.氨存在火焰温度低、层流燃烧速度慢、点火能量高、可燃范围狭窄等问题，将氨与其他燃料混合燃烧是改善氨在内燃机中燃烧性能的最佳解决方案之一，助燃剂包括氢、汽油、柴油等常见燃料[2].

以氢作为助燃剂时，只需使用少量的氢(约占燃料总质量的1%)即可提升氨燃料发动机的性能[19].Ryu[20]采用汽油作为氨的助燃剂，将氨气通过化油器喷入点燃式内燃机中，在汽油提供0.6 kW基础功率的情况下，喷入的氨可以使发动机功率提升至2.7 kW，并且CO排放略有降低.Reiter等[14]利用柴油作为引燃剂和助燃剂，在压燃式柴油发动机上测试了不同氨-柴油比下的燃料经济性和尾气污染物排放情况，在氨提供40%～60%的能量时燃料整体利用效率较高.钟绍华等[21]基于Chemkin对氨-正庚烷混合燃料在发动机气缸内的燃烧情况进行仿真研究，结果表明用正庚烷引燃氨可以降低燃料对进气温度、压缩比等条件的要求.

上述研究所选取的助燃剂虽各有优点，但也存在一定的应用局限.例如：氢作为燃料时储存与运输困难，在发动机中燃烧时回火不易控制；柴油、汽油、正庚烷含碳量高，导致CO2和碳烟等排放高.此外由于氨点燃困难，对氨燃料发动机低功率条件下的运行情况需要特别研究，而当前研究人员则对氨燃料发动机高功率情况下的动力性指标研究较多.

为了减少传统汽油、柴油掺氨燃烧的CO2和碳烟排放，一些研究人员采用天然气和丙烷等低碳烃作为助燃剂.丙烷的含碳量较低，相对清洁，单位质量热值高于柴油，是一种被广泛使用的气态燃料.本研究采用丙烷作为助燃剂，在保证燃料总热值不变的情况下，通过改变燃料中氨与丙烷的热值比，在不同功率尤其是低功率条件下实验测试了燃料的经济性指标和排放特性，并与其他助燃剂的排放特性进行了对比.

1 起燃条件的初步分析

对于氨燃料在压燃式发动机上的应用，若想达到压燃效果，经过压缩后气缸内气体温度应超过氨的自燃点(923 K)，这需要较高的压缩比，因此需要对压缩过程中气缸内空气的状态参数进行估算，防止氨在气缸中液化.这是由于液化的氨会形成液滴，导致其与缸内空气的接触面积减小，造成不完全燃烧从而影响发动机的排放性能.同时还需防止氨达到超临界状态，对燃烧造成不可预测的影响.

气缸压缩过程可以视为绝热压缩过程，气缸内气体状态参数关系为

其中：T为气缸内气体温度，K；p为缸内压力，Pa；κ为绝热指数;ε为压缩比.依据该式可以计算出绝热压缩过程中气体温度与压缩比的关系，如图1所示.如果氨采用气相进料，在整个压缩过程中缸内气体温度与压力一直处于氨的气相区，不会发生液化.且压缩比需达到52.3以上才能达到氨的自燃点，此时压力为5.29 MPa，未超过氨的超临界压力11.45 MPa.如果采用液相进料，即将液氨喷入气缸，由于液氨的汽化潜热较大，气化过程吸热会导致气缸内温度降低，此时需要更高的压缩比才能起燃.而目前大规模商用的柴油发动机压缩比一般为16～22，远低于压燃氨气所需要的压缩比.另外丙烷的自燃点为732 K，压缩比达到23时才能实现丙烷的压燃，因此在现有柴油机的基础上无法实现氨-丙烷双燃料的压燃，仍需要使用微量柴油点燃.

图1 气缸内气体温度与压缩比的关系Fig.1Relationship between gas temperature and compress ratio in cylinder

图2 实验装置示意图Fig.2Schematic of the experimental setup

2 实验装置与过程

2.1 实验装置

本研究在双燃料发电机组的基础上进行氨-丙烷双燃料发动机性能和尾气排放的实验.发电机组为HTD-20GF双燃料发电机组，该发电机组是在柴油发动机的基础上进行改装，保留原有柴油进料系统，加装气相双燃料进料控制系统和发电机.发电机额定功率20 kW，额定电压230 V，发动机为四缸四冲程直列柴油机，压缩比18，总排量3.6 L，额定转速1 500 r/min.该发电机组使用少量柴油启动，带负载运行状态下可以使用柴油或者燃气作为燃料.整体实验平台包括双燃料发电机组、燃料配比系统、可编程负载、尾气检测系统等，如图2所示.来自气瓶的氨气和丙烷经过减压阀减压，采用2台Sevenstar D07系列质量流量控制器控制并测量氨气、丙烷的质量流量，随后2种燃气在发电机组燃气进气口处的比例混合器中混合，然后混合燃料在进气管中与空气混合后进入气缸燃烧.采用1台HORIBA MEXA-584L尾气检测仪对几种常见污染物的含量进行在线检测，同时使用热电偶测量尾气温度.发电机组连接2台Chroma 63805可编程负载，精确控制负载用于发电机组的功率测试.通过数据采集与控制系统控制负载大小，采集负载的功率、电压、电流等参数，同时该系统也可以采集氨气、丙烷、空气的质量流量以及尾气中常见污染物的排放数据.

2.2 实验过程

其中，w为对应燃气的质量分数，L为对应燃气的低位热值.实验时发动机先燃烧柴油启动，待发电机运行稳定后，再缓慢加入丙烷；同时减小柴油流量，在发动机运行过程中柴油流量将一直保持在很低的水平(≤10 mL/min，约占燃料总热值的4%～6%)，此时发动机运行所需绝大部分能量由丙烷提供.随后在缓慢增加氨气的质量流量的同时减少丙烷的质量流量，直至达到设定的掺氨比.在整个质量流量调整过程中需要注意维持发电机的稳定运行，燃气质量流量以及柴油流量的变化速率不应过快，以免发电机组运行不稳定影响发动机的气缸温度、转速等参数，从而影响排放数据.

3 实验结果

3.1 不同掺氨比下燃料的比能耗

发动机经济性指标是衡量发动机性能的重要参数，一般采用有效燃油消耗率来表征，其含义是对应单位有效功消耗的燃料质量.本研究采用的实验平台为双燃料系统，应当采用发动机比能耗(BSEC)进行比较.同时为了方便比较丙烷和氨作为燃料时的经济性，将燃料的BSEC定义为消耗特定燃料的热值除以由该燃料产生的功率输出，不同掺氨比下发动机燃料的BSEC如图3所示.在掺氨比为10%～30%范围内，氨作为燃料的经济性比丙烷要好.由于氨的火焰温度低，掺氨会使混合燃料的火焰温度降低，造成部分燃料燃烧不完全，发动机燃料经济性下降，如图3中掺氨比为10%时丙烷的BSEC比掺氨之前略微升高，但继续掺氨可以改善丙烷的燃料经济性.

图3 不同掺氨比下各燃料的发动机BSECFig.3Engine BSEC for respective fuels under various ammonia blending ratio

3.2 不同掺氨比下NO的排放情况

发动机工作过程中产生的NOx主要包括热力型和燃料型，其中：热力型NOx为空气中的氮在高温下氧化产生，其反应速率与温度有关，温度越高，燃烧过程中产生的热力型NOx越多；燃料型NOx为燃料中含氮化合物在燃烧过程中氧化产生，主要受燃料含氮量、燃烧过程温度等因素的影响.在整个燃烧过程中排放的NOx中NO占到总质量的90%～95%，因此本研究只分析NO的排放情况.图4为不同功率和掺氨比下NO的比排放，虚线所示为仅使用柴油时的NO比排放.可以看到：在未经过尾气脱硝处理的情况下，发动机尾气中NO的排放水平较高，各类工况下的排放水平均高于国Ⅴ标准[22]中规定的2.0 g/(kW·h)，但绝大部分工况下氨-丙烷燃料的NO比排放要低于柴油作为燃料时的NO比排放，在4 kW、掺氨比为0～30%时，使用氨-丙烷燃料替代柴油可以有效减少发动机的NO比排放.发动机使用丙烷燃料时NO的比排放相对较低，向丙烷中掺入氨气后，NO比排放随之升高，但增速随掺氨比的增高而放缓，如4 kW工况下掺氨比达到30%时NO比排放为26.5 g/(kW·h)，仅比掺氨比10%时增加了18%.这与文献[16]的研究结果一致.分析原因，掺氨会使燃料中含氮量增加，燃料型NOx生成量增加，这也是尾气中NO比排放增加的主要原因.另一方面由于氨的火焰温度低于丙烷，掺氨导致混合燃料的火焰温度降低，热力型NOx生成量减少，这是NO比排放曲线增速放缓的主要原因.另外，在掺氨比相同时，提高发动机功率可以减少其NO比排放.

图4 不同功率和掺氨比下尾气中NO的比排放Fig.4Specific emissions of NO in exhaust under different power and ammonia blending ratio

为了进一步研究掺氨比与排放特性间的关系，本研究还与已有研究中汽油[23]、柴油[16]作为助燃剂时的排放特性进行了对比，如图5所示.可以看到：柴油掺氨燃烧与丙烷掺氨燃烧所表现的变化趋势是一致的，NO比排放随着掺氨比的增高而升高.汽油掺氨燃烧则表现出相反的变化趋势.这可能与发动机的点燃方式有关，柴油掺氨[16]和丙烷掺氨燃烧的实验均是在压燃式发动机上进行的，汽油掺氨[23]燃烧的实验则基于点燃式发动机；同时汽油燃烧的掺氨比较高，导致气缸内温度降低，NO的生成量减少.另外，测试时发动机的负荷对NO的排放也有影响，丙烷和汽油掺氨的实验功率范围为1～4 kW，不到测试发动机额定功率的20%，此时燃料在发动机内燃烧可能不充分，导致燃料型NO增多.柴油掺氨[16]燃烧实验时发动机一直在满功率状态下进行(40 kW)，其燃烧效率较高，因此NO比排放较低.

图5 不同助燃剂和掺氨比下尾气中NO的比排放Fig.5Specific emissions of NO in exhaust under different ammonia blending ratio using various combustion promoter

在目前的商用发动机上，为了减少尾气中NO的排放水平，通用的做法是加装尾气处理装置，采用选择催化还原(SCR)技术，在催化剂和还原剂的作用下将NOx还原为氮气和水，其中还原剂一般是氨或者尿素.对于传统发动机来说，加装SCR尾气处理设备还需要额外配置氨储罐.对于氨燃料内燃机来说，尾气处理设备可以直接利用燃料储罐中的氨作为还原剂，不需要配置额外的尿素或者氨储罐.

3.3 不同掺氨比下碳氢化合物(HC)的排放情况

发动机尾气中的HC主要是由于气缸内的燃料未完全燃烧产生的，大多数未燃烧的HC来自火焰因热量损失而熄灭的位置，主要是气缸与活塞间的间隙.气缸间隙捕获的HC量取决于气缸中的峰值压力，压力越大气缸间隙捕获的HC量就越多，而且气态燃料被捕获的HC量会明显高于液态燃料.另外，燃料与空气形成的混合气过稀会导致火焰不能传播，过浓会导致燃料不能自燃，这都将产生HC，但是膨胀和排气冲程中气体温度升高会氧化一部分HC.图6显示了尾气中HC的比排放随燃料中掺氨比的变化曲线，虚线所示为仅使用柴油时HC的比排放.可以看到：使用丙烷作为燃料时的HC排放水平较高，2 kW 功率下为20.1 g/(kW·h)，远超国家标准规定的0.46 g/(kW·h).这是由于丙烷作为气态燃料，容易被气缸间隙捕获从而未能完全燃烧.随着燃料中掺氨比的增大，燃料中HC含量减少，尾气HC的比排放水平随之下降；但由于氨会使气缸内温度下降，未被完全氧化的HC会逐渐增多，二者相互影响使得HC排放曲线降幅趋于平缓.2 kW下掺氨比达到30%时，HC比排放为9.64 g/(kW·h)，约为纯丙烷燃料的50%，可见向丙烷中掺入氨气可以大大减少其HC比排放.相同掺氨比下，发动机的HC比排放随着功率的提高而减小，其原因是低功率情况下发动机燃料消耗量小，燃烧室温度低，部分燃料未完全燃烧生成HC.另一方面实验所用发动机没有空气流量调节装置，空气进气量固定.低功率情况下燃料消耗量小，导致混合气过稀，火焰在过稀混合气区域传播过程中可能会熄灭，这也会导致燃料不完全燃烧生成HC.

图6 不同功率和掺氨比下尾气中HC的比排放Fig.6Specific emissions of HC in exhaust under different power and ammonia blending ratio

图7所示为使用不同助燃剂时尾气中HC的比排放.柴油和汽油是液体燃料，作为助燃剂时不易被气缸间隙捕获，因此HC比排放水平较低；掺氨燃烧时由于氨火焰温度低，掺氨比升高时气缸内温度下降，造成部分燃料不完全燃烧，其HC比排放随掺氨比升高略微增高.而丙烷作为助燃剂时，气体燃料更易被气缸间隙捕获，因此丙烷掺氨燃烧的HC比排放较高，而随着掺氨比的提高，燃料的碳含量减小，HC比排放随之下降.

图7 不同助燃剂和掺氨比下尾气中HC的比排放Fig.7Specific emissions of HC in exhaust under different ammonia blending ratio using various combustion promoter

3.4 不同掺氨比下CO的排放情况

图8 不同功率和掺氨比下尾气中CO的比排放Fig.8Specific emissions of CO in exhaust under different power and ammonia blending ratio

发动机运行过程中产生CO主要有两条途径，一种是燃料未完全燃烧，燃料中的碳未被彻底氧化而产生的CO；另一种是燃烧产物CO2和H2O在高温条件下产生热解反应生成的CO.图8所示为不同功率和掺氨比下CO的比排放，虚线所示为仅使用柴油时的CO比排放.可以看到：向丙烷中掺入少量氨时可以略微降低其CO比排放，当掺氨比继续增大时反而会增加CO的比排放，例如4 kW工况下纯丙烷燃料的CO比排放为45.3 g/(kW·h)，掺氨比达到30%时为45.2 g/(kW·h)，与掺氨之前持平.其原因主要有3个方面：1) 掺氨使燃料的碳含量下降，CO排放有所减少；2) 氨的空燃比较低，掺氨后的混合燃料理论空燃比降低，而发动机运行过程中保持空气进量不变，这会造成空气相对过量，使部分CO转化为CO2，两种功率下在掺氨比为0～20%的范围内CO比排放有所下降也证明了这两点；3) 掺氨导致火焰温度降低，部分燃料燃烧不完全，CO排放因此增多.同时高功率工况下发动机气缸内温度较高，燃料燃烧较充分，因此高功率工况下的CO比排放较低.

图9为使用不同助燃剂时尾气中CO的比排放，柴油掺氨燃烧实验[16]的CO比排放明显高于丙烷掺氨和汽油掺氨的，这可能是由于实验平台不同导致的，但其表现出的趋势与丙烷和汽油作为助燃剂时的趋势是一致的；在掺氨比不高时(0～60%),随着掺氨比的提高，燃料的碳含量减小，CO比排放降低，但氨的加入使火焰温度降低，导致部分燃料燃烧不完全，这种影响效果在掺氨比不高时并不显著，因此柴油掺氨比达到80%时CO比排放才有所升高.

图9 不同助燃剂和掺氨比下尾气中CO的比排放Fig.9Specific emissions of CO in exhaust under different ammonia blending ratio using various combustion promoter

3.5 不同掺氨比下CO2 的排放情况

图10 不同功率和掺氨比下尾气中CO2的排放Fig.10CO2 emissions in exhaust under different power and ammonia blending ratio

图10所示为不同功率和掺氨比下发动机尾气的CO2排放情况，可以看出掺氨后CO2排放水平明显降低，燃料掺氨比达到30%时可减少47%～55%的CO2排放.由此可见掺氨可以显著降低丙烷的CO2排放.另外，由于丙烷的碳含量比柴油低，不同功率下氨-丙烷双燃料的整体CO2排放水平均远低于柴油.根据数据变化趋势可以判断，从控制CO2排放的角度来说，发动机的掺氨比越高越好，这与掺氨燃烧的主要目的和预期结果相符.

4 结 论

本研究以丙烷作为助燃剂与氨混合燃烧，探讨了不同发动机功率和掺氨比下的燃油经济性和排放特性，主要结论如下：

1) 使用少量柴油点燃，丙烷作为续燃剂，可以将氨作为燃料应用在压燃式发动机上，掺氨比为30%时，发动机仍能保证长时间稳定运行，并且可以满足一定的输出功率需求.

2) 氨作为燃料的经济性比丙烷要好，其BSEC小于丙烷，并且掺氨比在20%～30%时可以改善丙烷的燃料经济性.

3) 掺氨燃烧可以显著减少含碳燃料的CO2和HC排放，掺氨比达到30%时可以减少丙烷47%～55%的CO2排放.2 kW工况下掺氨比达到30%时，HC比排放为9.64 g/(kW·h)，约为纯丙烷燃料的50%.

4) 掺氨燃烧会增加氨-丙烷双燃料发动机的NO比排放，但是高功率情况下，掺氨比达到30%时氨-丙烷双燃料的NO比排放为26.5 g/(kW·h)，低于柴油发动机.此外掺氨燃烧不会增加CO排放量.