内燃机燃烧氨燃料的研究综述

马超坤，何宏舟

摘要： 在全球碳减排的大趋势下，发展氨燃烧技术十分必要。综述了国内外对氨氧化化学动力学机理、层流燃烧速度和着火延迟时间的研究成果，并针对氨燃烧时燃烧速度慢和NOx排放量大等问题介绍了掺混燃烧、富氧燃烧和等离子体辅助燃烧3种氨增强燃烧技术，详细阐述了压力和水分对氨燃烧中NOx排放量的影响。重点介绍了氨燃料在内燃机中燃烧的研究现状，指出在内燃机燃料中掺烧氨燃料会造成内燃机功率下降和氮氧化物排放量过高等问题，而提高压缩比、调节氨掺混比例和调整燃料喷射策略等可以有效改善掺氨燃烧内燃机的功率和排放量。

关键词： 内燃机；氨燃料；燃烧特性；氮氧化物

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.02.001

中图分类号：TK407.9文献标志码： A文章编号： 1001-２２２２（２０24）０2-００01-０8

近年来，世界化石能源消耗量不断增加，带来了碳排放增加和温室效应等一系列环境问题［1］。为减少碳排放，我国在2020年提出了“双碳”发展目标：计划到2030年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，二氧化碳排放量达到峰值并实现稳中有降；到2060年，非化石能源消费比重达到80%以上，顺利实现碳中和目标。我国完成“双碳”目标可以与汽车、船舶和发电部门使用无碳燃料替代化石燃料的进程相结合，无碳燃料将助力实现碳达峰和碳中和目标。氨（NH3）是经典的化工产品，也是一款典型的无碳燃料，氨作为燃料具有以下几方面优点［2］：低热值为18.5 MJ/kg，与一般烟煤相差不大，且燃烧时不会产生碳氧化物；每年约有2亿t NH3被生产和运输，有成熟可靠的基础设施用于NH3的储存和运输［3］；辛烷值高达130，具有良好的抗爆性能，可在内燃机中安全燃烧。

氨燃料具有能量密度高、安全可靠、生产和储存运输方便等特点，在我国实行“双碳”目标的大趋势下，研究高效的氨燃烧技术改善氨的燃烧性能，变得更具现实意义。

1氨燃料的燃烧特性

1.1氨的基本物性

氨呈碱性、无色、气味较强，常温常压下呈气态，室温下压力升高至约0.9 MPa（9个大气压）时即可被液化。氨的密度比空气小，大气条件下可以快速扩散，这大大降低了其泄漏引发火灾的风险。氨是世界产量第二大的化学品，生产工艺成熟，全世界每年合成氨产量约2亿t。氨的储运方便，液氨与天然气管道兼容性好，基本无需对管道进行改造即可实现液氨的长距离输运。利用现有天然气管道运输液氨，输送的能量值是运输天然气时的1.5倍［4］，整个运输过程快速、便捷和安全。氨作为燃料时低热值与一般烟煤相差不多，理论上完全燃烧的产物只有H2O和N2，不会产生碳排放。氨燃烧产物清洁且生产储存运输方便，使其成为最有应用前景的清洁能源之一。氨、氢气、二甲醚（DME）、汽油和柴油的一些关键物性对比如表1所示。

1.2氨的层流燃烧速度

层流燃烧速度是燃料的重要燃烧特性参数，同时也是验证燃料反应机理和确定湍流火焰传播速度的重要指标。燃料的层流燃烧速度会影响动力机械的热释放速率和火焰稳定性，合适的层流燃烧速度有利于动力机械获得更高的热效率［6-7］。图1汇总了K. Takizawa等［8］、P. D. Ronney［9］、U. L. Pfahl等［10］、T. Jabbour等［11］ 、A. Hayakawa等［12］、A. Ichikawa等［13］、X. Han等［14］通过试验测量和C. Okafor等［15］、X. Han等［16］、G. P. SMITH等［17］、U. Mechanism［18］通过仿真计算所获得的氨层流燃烧速度随空气当量比的变化趋势。由图1可知，试验测得NH3的层流燃烧速度比碳氢燃料低数倍，NH3的最大层流燃烧速度约为7 cm/s（在当量比约为1.05时），明显慢于H2的最大层流燃烧速度280 cm/s和CH4的35 cm/s，这表明NH3的反应性要弱于H2和CH4，而反应性较弱就是发展氨燃烧技术的最大难题。

着火延迟时间是评估燃料着火能力的重要参数，着火延迟时间定义为从燃料注入氧化环境产生可燃混合物到快速反应阶段，即温度和压力开始快速上升之间的时间，该参数主要受初始温度、压力和反应物成分的影响［19］。着火延迟时间是发动机设计、燃料助燃剂性能评价和建立反应动力学机理等方面的重要参考指标。早期关于NH3着火延迟时间的研究大多着眼于构建和验证氨气氧化的反应动力学机理，其测量工况主要为高温低压工况（大于1 600 K，小于1.0 MPa）。图2汇总了A. A. Konnov［20］、O. Mathieu等［21］、Z. Tian等［22］和H. Nakamura等［23］对氨点火延迟时间的研究数据。由图2可知，氨的着火延迟时间与点火温度近乎呈反比关系。近年来，随着NH3作为一种新型零碳燃料而受到广泛关注，对于更接近实际燃烧环境的低温高压工况（小于1 100 K，大于2.0 MPa）下的NH3的着火延迟时间的研究测量已成为重点研究方向［24］。

氨燃烧反应机理是进行氨燃烧分析和应用的基础，早在1989年，J. A. Miller等［25］首次描述了NH3燃烧的详细反应机理，但是后来试验发现该机理不能准确预测在贫燃料燃烧和富燃料燃烧时NH3火焰中重要自由基（如OH，O，H和HNO）的形成情况。后续不断有研究者对氨的燃烧机理进行研究，表2汇总了部分研究者所提出的氨燃料燃烧的化学动力学机理。早期由于试验测量技术手段不足，研究氨燃烧化学动力学机理主要是基于对火焰结构的分析，后来随着试验测量技术的进步，氨燃烧化学动力学机理研究可以基于更精准的层流燃烧速度和点火延迟时间进行分析，但是迄今為止始终缺乏对氨燃烧过程中NOx形成反应机制的研究。

1.5氨增强燃烧技术研究

相较于传统燃料，氨燃烧存在着燃烧速度较慢，点火延迟时间较长，最小点火能较大等不足，这些不足限制了氨燃料的推广与应用。要使氨燃料能够实际应用到内燃机、锅炉和燃气轮机的燃烧中，必须提高氨的燃烧性能，而氢与碳基燃料的点火延迟时间较短，层流燃烧速度较快，于是有学者就提出将氨与氢或其他碳氢燃料掺烧，以增强氨的燃烧性能。在实际应用中，有学者提出了掺混燃烧技术［13-14］、等离子体辅助燃烧技术［32-33］和富氧燃烧技术［34］等氨增强燃烧技术。图3对比了NH3掺H2燃烧［13］、NH3掺CH4燃烧［14］、NH3富氧燃烧［34］和纯氨燃烧［35］的层流燃烧速度随掺混物摩尔分数变化的情况。由图3可知，掺氢燃烧技术可以更显著地提高混合燃料的层流燃烧速度，且理论上不会产生多余的温室气体排放，更具有研究价值。

1.6氨燃烧NOx排放控制研究

氨燃料燃烧的另一个问题就是NOx排放量较大，大气中的NOx不仅会加剧温室效应，还会损害人体健康，因此发展低NOx排放的氨燃烧技术势在必行。

J. Choe等［32］搭建了由高压脉冲发生器和预混旋流燃烧器组成的试验台，首次对等离子体辅助氨燃烧进行了试验研究，发现高能等离子体不仅可以拓展氨的贫燃熄火极限，还有利于降低燃烧中NOx的排放量，可以将燃烧烟气中的NOx排放量从2 600×10-6降至1 700×10-6。T. S. Taneja等［33］研究发现，NH3在等离子体辅助燃烧的情况下，着火延迟时间变短，NOx的排放量大大减少。认为等离子体的存在有助于增强OH自由基的生成，并在等离子体放电过程中加速NH3的消耗，从而减少NH2自由基的生成量，避免NH3和NH2自由基进一步反应产生NOx。等离子体辅助燃烧可以增强氨燃烧火焰，同时减少NOx排放，已成为氨清洁燃烧技术发展的新方向。

K. D. K. A. Somarathne等［36］研究了在类似于燃气轮机的反应器中压力对NO排放量的影响，发现随着燃烧室压力的升高NO排放量逐渐降低，当燃烧室压力从0.1 MPa增加到0.5 MPa时，NO排放量从700×10-6降至200×10-6；研究还发现，在当量比为1.2时，NO和未燃NH3的排放量最小。G. B. Ariemma等［37］使用旋流燃烧器试验研究了在预混和非预混条件下，处于不同当量比的情况时，加入25%，50%和75%质量分数的水对氨-空气燃烧过程稳定性和NOx排放的影响。结果表明：在预混和非预混两种条件下，加水都可以在不影响氨燃烧稳定性的前提下降低NOx的排放量；对于非预混燃烧，在当量比分别为0.7，1.0和1.1时，均可以观测到NOx排放量随着加水量的增加而下降；在当量比为0.7时，加水对NOx排放量的影响尤为明显，加入75%质量分数的水可以将NOx浓度从440×10-6降低到280×10-6，但是在较高的燃烧当量比条件下，加水对降低NOx排放量的效果不明显，最大减少量在20%左右。

2氨在内燃机中的燃烧应用

2.1氨掺氢在内燃机中的燃烧应用

纯氨燃料点火困难，燃烧速度慢，在点燃式内燃机中的试验发现，转速为2 000 r/min时纯氨燃料无法点火或稳定运行［38］，因此氨不适合单独作为内燃机燃料，需要与其他燃料混合使用。氢气的燃烧性能优于氨，在氨中添加氢气能有效改善燃料燃烧性能以提高燃烧速度，同时又不会产生碳排放，因此开发使用氨与氢混合燃料的内燃机是一个可行的方向。

考虑到氢的储存难题，M. Comotti等［39］设计了一种氨分解装置，尝试只使用氨作为汽车燃料，该装置使用钌基催化剂将氨分解产生氢气，再将氢气和氨混合输入一台点火式内燃机中。研究发现，氨掺氢燃烧发动机的热效率与原汽油发动机的热效率相当（在高转速下甚至更好），M. Comotti等的研究为使用氨作为汽车燃料提供了一个新思路。M. H. Dinesh等［40］试验研究了氨掺不同能量分数氢在可变压缩比点燃式内燃机中的燃烧，发现当氢的能量分数在5%～21%范围内变化时，随着氢能量分数的增加，混合燃料的燃烧速度随之增加，相应的发动机功率和热效率也随之上升，但上升的幅度逐渐减小；当压缩比在12～15范围内变化时，发动机功率和热效率随着压缩比的增加而上升；当氢提供的能量占比较小时，燃烧尾气中NOx排放量相较于使用纯氨时略微减小，而随着氢能量占比的进一步增大，内燃机的NOx排放转为随之增加，这是由于随着掺氢能量分数的增加，内燃机的燃烧温度随之增加，导致燃烧过程中热力型NOx的生成量增加。

M. Pyrc等［41］研究了在可变压缩比点燃式内燃机中掺氢对氨燃烧的着火延迟时间、着火时长、发动机平均有效压力、指示热效率和NOx排放等的影响。发现在压缩比分别为8和10的条件下，当氢能量占比在0%～70%范围内调节时，随着氢能量占比份额的增加，氨氢混合燃料的着火延迟时间逐渐降低，着火时长逐渐变短，而NOx的排放量却随之增加；当氢能量占比为12%时，发动机的平均有效压力和指示热效率最高，此时发动机的输出功率和热效率也最高；相对于压缩比8时，压缩比为10时氨掺氢发动机的运行性能更好。

2.2氨掺碳基燃料在内燃机中的燃烧应用

碳基燃料的燃烧性能普遍优于氨，而且不存在储存和运输的困难，相较于掺氢燃烧，氨掺碳基燃料燃烧更容易付诸实际应用。当氨与碳基燃料混合后，其燃烧的火焰速度、热释放速率与辐射强度都得到提高，且二氧化碳排放量也明显低于单独燃烧碳基燃料时［42］。

A. Yapicioglu等［43］在点燃式内燃机中开展了使用氨替代汽油的试验研究，发现当氨的掺混质量比例在0%～80%变化时，内燃机功率从燃烧纯汽油时的3 689.2 W下降至3 572.8 W，热效率从35.7%降至28.74%，CO2排放量从2.535 g/s下降至2.491 6 g/s。S. O. Haputhanthri等［44］在点燃式内燃机中試验研究了氨、乙醇和汽油混合燃料的燃烧，发现在286.15 K，137.9 kPa条件下，向汽油中掺混30%体积分数的乙醇可以将氨在汽油中的溶解度从1.95 g/L提高至36.94 g/L；对比燃烧掺混10%体积分数乙醇的汽油和掺混10%体积分数乙醇及5.65%体积分数氨的汽油两种掺混燃料的内燃机功率与扭矩，发现在高于3 500 r/min时氨的加入会略微提高内燃机的功率与扭矩，在转速2 000～3 500 r/min时燃烧两种燃料的内燃机功率与扭矩基本相同。

F. Huang等［45］在可变活塞点火式内燃机中进行了氨与甲烷掺混燃烧的试验，当量比为1时，内燃机的功率与指示热效率随着混合燃料中氨能量占比的增加而加速降低，当氨能量占比为30%时发动机功率与指示热效率从纯甲烷燃烧时的319 W和11.33%降为139 W和4.98%。楚育纯等［46］在压燃式内燃机中试验研究了氨掺混丙烷燃烧，发现将氨在混合燃料中的能量占比控制在10%～30%范围内时，氨比丙烷燃烧更充分，这是由于氨燃烧的火焰温度低，掺氨会降低火焰温度造成部分燃料燃烧不完全；当掺氨的能量占比为10%时，发动机的燃料经济性相较于燃烧纯丙烷时有所下降，但当掺氨量达到30%时反而可以改善发动机的燃油经济性。

E. Nadimi等［47］在压燃式内燃机中进行了氨掺混柴油燃烧的试验，发现当氨在混合燃料中的能量占比在0%～84.16%范围内调节时，随着氨能量占比的增加，内燃机的指示热效率也随之增加；当氨在掺混燃料中的能量占比为84.16%时，内燃机指示热效率为37.6%，而燃烧纯柴油时，内燃机的指示热效率仅为32%；当氨在掺混燃料中的能量占比为84.16%时，内燃机运行的燃料成本下降了约44%。研究还发现，虽然氨替代柴油燃烧时内燃机的碳氧化物排放量减少了，但是其NOx排放量却有所增加，要减少内燃机运行时的温室气体排放，氨在燃料中的能量占比要达到35.9%以上。A. Yousefi等［48］在单缸重型压燃式内燃机中研究了氨的能量占比和柴油喷射时刻对内燃机燃烧特性和排放的影响，发现氨的加入降低了燃料的燃烧速度，会使内燃机的指示热效率下降；通过改变柴油喷射时刻，不仅可以提高内燃机指示热效率，还可以降低温室气体排放量。C. W. Gross等［49］在裝备高压燃料预混喷射系统的压燃式内燃机上试验研究了液态氨与二甲醚双燃料燃烧技术，对内燃机性能和燃烧排放情况进行了测试。结果发现，氨的加入提高了混合燃料的点火温度，降低了其层流燃烧速度，延长了发动机的点火延迟时间，导致内燃机的输出功率降低；通过对比氨掺混比分别为20%和40%的NH3-DME混合燃料在内燃机燃烧时的NOx排放量，发现掺20%氨比掺40%氨燃烧时产生更多的NOx；此外，氨的加入会降低内燃机的燃烧压力和温度，导致CO和HC的排放量增加。K. Ryu等［50］研究了压缩点火式内燃机中使用NH3-DME混合燃料时运行特性，测定了在燃烧纯二甲醚、掺混40%的氨和掺混60%的氨3种不同混合燃料时内燃机的性能，发现较高的掺氨量会导致发动机性能下降，会降低发动机的转速和功率，还会产生更多的NOx排放量。表3汇总了部分氨在内燃机中燃烧的研究，定性地总结了相关研究的主要研究结论。

3结束语

综述了国内外学者对氨的氧化化学动力学机理、层流燃烧速度、着火延迟时间和NOx排放控制等方面的研究，指出氨作为燃料面临点火困难、燃烧速度慢和NOx排放量大等问题。介绍了掺混燃烧、富氧燃烧和等离子体辅助燃烧等可以有效改善氨燃烧的技术，同时详细说明了等离子体、压力和水分对氨燃烧时NOx排放量的影响。在内燃机中进行氨掺混燃烧是一种具有发展前景的技术，但氨的加入会使内燃机的功率与热效率下降，在氨加入量较多时还会产生较高的NOx排放量，而较高的压缩比、合适的掺混比例和调整燃料注入策略等均有助于提高内燃机功率、热效率和降低温室气体排放。目前，氨燃料在内燃机的燃烧研究还处于理论分析阶段，还需要进行更多的针对增强内燃机运行性能和控制温室气体排放量研究。此外，使用CFD软件基于详细氨燃烧机理对氨燃料内燃机进行优化设计也是未来的研究方向。参考文献：

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Research Review on Internal Combustion Engine Fueled with Ammonia

MA Chaokun1，2，HE Hongzhou1，2

（1.Key Laboratory of Clean Energy Utilization and Development of Fujian Province，Jimei University，Xiamen361021，China；2.Fujian Province Clean Combustion and Energy Efficient Utilization Engineering Technology Research Center，Jimei University，Xiamen361021，China）

Abstract： In the global trend of carbon reduction， it is necessary to develop ammonia combustion technology. The research results of chemical kinetic mechanism of ammonia oxidation， laminar flow combustion rate and ignition delay time from domestic and foreign scholars were reviewed. For the problems of slow combustion rate and high NOx emission in ammonia combustion， three ammonia-enhanced combustion technologies such as blending combustion， oxygen-rich combustion and plasma-assisted combustion were introduced， and the effects of pressure and moisture on NOx emission were elaborated. The current research status of ammonia fuel combustion in internal combustion engines was highlighted， and the problems that internal combustion engine fuel blended with ammonia fuel would cause power reduction and high NOx emission of internal combustion engine were pointed out. However， increasing the compression ratio， adjusting the ammonia blending ratio and the fuel injection strategy could effectively improve the power and emission of internal combustion engines after blending ammonia.

Key words： internal combustion engine;ammonia fuel;combustion characteristic;nitrogen oxides

［編辑： 姜晓博］