氫氨清潔無污染無碳燃料在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用分析

郭朋彥，劉子川，邵方閣，申方，陳磊

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

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氫氨清潔無污染無碳燃料在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用分析

郭朋彥，劉子川，邵方閣，申方，陳磊

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

摘 要：分析了氫的理化性質(zhì)和氫燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)缺點?；跉淙剂系那鍧崯o污染無碳特性，結(jié)合日常生活中人們可以接受的無碳無污染物質(zhì)分析出新型清潔無污染無碳燃料——氨；進(jìn)一步研究了氨的理化性質(zhì)與氨燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)缺點，結(jié)果表明：氨作為發(fā)動機(jī)燃料優(yōu)勢十分明顯，但也有缺點，在此基礎(chǔ)上，指明了氨燃料發(fā)動機(jī)今后的研究趨勢主要集中在混合燃料摻燒、NOx處理等方面。

關(guān)鍵詞：氫氣；氨氣；清潔無污染燃料；發(fā)動機(jī)；應(yīng)用分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.028

CLC NO.: TK46Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)04-81-04

前言

在世界范圍內(nèi)，因CO2過量排放而導(dǎo)致的全球氣候變暖、海平面升高等是阻礙各國發(fā)展的主要問題。我國是目前世界上最大的碳排放國，2013年碳排放量占全球總量的27.7%，大于美國（14.4%）和歐盟（9.6%）的總和，人均碳排放首次超過歐盟，比全球平均水平高45%，減排任務(wù)艱巨，我國從2017年開始將在全國范圍內(nèi)推行碳排放交易系統(tǒng)。同時，隨著環(huán)境污染與能源短缺的加劇，尋找新的清潔無污染無碳新型能源越來越受到關(guān)注。

氫是被廣泛研究的清潔無碳可再生燃料，被認(rèn)為是最理想的未來車用能源。氫氣熱值比較高，且完全燃燒只生成水，而這些水很容易分解為氫氣和氧氣，可以實現(xiàn)循環(huán)利用[1-2]。作為發(fā)動機(jī)燃料時，也沒有 CO2、CO、HC、PM，僅在高負(fù)荷下會產(chǎn)生 NOx，是較理想的“綠色”燃料[3]。但氫氣因難于液化而導(dǎo)致存儲、運輸困難，氫氣的推廣應(yīng)用需要投入巨額資金來大規(guī)模建設(shè)氫加氣站；氫氣因點火能量低、燃燒速度快而帶來早燃、回火等，這些問題至今沒有得到較好的解決，且氫氣的能量密度低，這些都制約了氫作為清潔無污染無碳燃料在車用發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用[4]。

氫氣存在的這些技術(shù)難題，經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，仍未得到較好解決，導(dǎo)致氫大規(guī)模應(yīng)用在汽車等小型運輸工具的目標(biāo)，一時還難以實現(xiàn)。所以，有人把氫仍然視為“未來的燃料”[5]。因此，基于氫發(fā)動機(jī)的特點，分析并篩選出新型車用清潔無污染無碳燃料，就成為車輛和發(fā)動機(jī)行業(yè)研究、從業(yè)人員必須完成的歷史使命。本文基于氫氣的理化性質(zhì)和氫燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)缺點，分析出氨可能成為新型清潔無污染無碳燃料，并在此基礎(chǔ)上，研究了氨的理化性質(zhì)、氨燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)缺點及未來發(fā)展趨勢。

1、氫燃料的理化性質(zhì)及在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

1.1 氫燃料的理化性質(zhì)

氫氣、汽油、天然氣、氨氣的理化性質(zhì)如表1所示，由表可知：

（1）氫氣的最小點火能量很低，是汽油的8%，這就意味著氫氣作為發(fā)動機(jī)燃料時更容易點燃，且其層流燃燒速度很高，能使發(fā)動機(jī)更快的達(dá)到缸內(nèi)溫度和壓力峰值。但這也導(dǎo)致了氫在發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒時會發(fā)生早燃和回火現(xiàn)象，不利于發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性的控制。

（2）氫氣的可燃范圍很廣，濃度范圍從4%~75%都能燃燒，因此氫的稀燃能力很強(qiáng)。

（3）氫的擴(kuò)散能力強(qiáng)，比汽油大得多，有利于產(chǎn)生均質(zhì)混合氣，且即使發(fā)生泄漏，氫氣可很快擴(kuò)散，減少了不安全因素。

（4）氫氣的單位質(zhì)量低熱值高，約為汽油的2.7倍，因此氫發(fā)動機(jī)的有效熱效率比較高，燃油消耗率低。

（5）零排放，氫燃料的燃燒產(chǎn)物主要是水，僅含少量NOx，是清潔無污染無碳能源，環(huán)境危害很小。

表1　氫氣、汽油、天然氣、氨氣的理化性質(zhì)[5]

1.2 氫燃料在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用及優(yōu)缺點

通過氫的理化性質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)氫作為發(fā)動機(jī)燃料有許多優(yōu)點，如著火界限寬、熱效率高、低排放、經(jīng)濟(jì)性好、來源廣泛等。所以，很多人認(rèn)為，發(fā)展氫發(fā)動機(jī)是未來一段時間內(nèi)的最好選擇。

氫作為發(fā)動機(jī)燃料的研究始于20世紀(jì)初，國內(nèi)外許多工作者一直致力于氫發(fā)動機(jī)的研究，并取得了豐碩的成果。H.Rottengruber[6]在一臺配備有外部和內(nèi)部混合氣形成系統(tǒng)的單缸試驗發(fā)動機(jī)研究DI-PFI聯(lián)合運行的潛力和不同噴射壓力的效果，結(jié)果表明：直接噴射時，可以用理想配比混合氣高負(fù)荷運行，發(fā)動機(jī)的最大功率輸出相對常規(guī)汽油機(jī)提高20%，指示熱效率提高33%，在低負(fù)荷時用外部形成混合氣稀燃運行，指示燃料效率可達(dá)40%以上。S.J.LEE[7]通過試驗研究了進(jìn)氣管噴射點燃式氫發(fā)動機(jī)的燃燒特性，對比了1500rpm、 WOT、MBT、空燃比為1的條件下氫發(fā)動機(jī)和汽油機(jī)的性能，研究空燃比和點火時刻對氫發(fā)動機(jī)的影響及發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷下的回火現(xiàn)象。

國內(nèi)浙江大學(xué)楊振中等人[8]試驗研究表明，點火提前角對進(jìn)氣歧管噴射式氫燃料發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能有較大的影響，并建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對點火提前角進(jìn)行優(yōu)化控制。上海交通大學(xué)馬捷等人[9]借助數(shù)學(xué)模型和數(shù)字仿真，對燃?xì)浒l(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性進(jìn)行分析研究，對比燃?xì)浒l(fā)動機(jī)與汽油機(jī)性能，結(jié)果表明，氫發(fā)動機(jī)表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)態(tài)性能。

通過對氫發(fā)動機(jī)在國內(nèi)外的研究可以發(fā)現(xiàn)，氫發(fā)動機(jī)的發(fā)展方向主要是采用諸如臨近氣缸供氫、改造燃燒室、復(fù)合進(jìn)氣、稀薄燃燒、電控缸內(nèi)高壓直噴、進(jìn)氣管噴水降低進(jìn)氣溫度、催化后處理等各種技術(shù)來解決其存在的早燃、回火、輸出功率低、NOx排放高等問題。氫氣與汽油、天然氣等燃料的摻燒也是一種很重要的發(fā)展趨勢，這樣可有效減少氫燃料發(fā)動機(jī)汽車對“加氫站”的依賴。

盡管氫氣作為發(fā)動機(jī)燃料具有諸多優(yōu)點，但是也有一些當(dāng)前難以克服的問題。首先是氫的存儲問題。目前氫的存儲有3種方法：1）金屬氫化物儲氫，但氫氣壓力太低，難以直接進(jìn)入氣缸；2）高壓儲氫，但氫存儲量有限；3）液氫存儲，儲氫量最大，價格昂貴，蒸發(fā)泄露控制困難。其次是來源問題，亟需尋找廉價、高效的制氫技術(shù)；再次是氫的異常燃燒問題。氫發(fā)動機(jī)異常燃燒可導(dǎo)致爆震、早燃和進(jìn)氣管回火，過高的缸內(nèi)壓力升高率導(dǎo)致爆震，爆震產(chǎn)生的缸內(nèi)熾熱點導(dǎo)致早燃，持續(xù)早燃導(dǎo)致回火[10]。最后一點是氫燃料的普及問題，氫燃料的普及必須建立在氫補給站等設(shè)施完善的基礎(chǔ)上，但根據(jù)美國阿貢國家實驗室的研究報告我們可以看出，利用現(xiàn)存的或者相近的商業(yè)技術(shù)來建造氫生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的成本將高達(dá)6000多億美元，這對車企和當(dāng)?shù)卣畞碚f是一筆不小的開支，導(dǎo)致氫燃料普及問題一時難以解決。因此，氫能的大規(guī)模應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)，我們不得不將目光轉(zhuǎn)向其他新型清潔無碳能源，以應(yīng)對越來越嚴(yán)格的碳排放標(biāo)準(zhǔn)和全球性環(huán)保與能源問題。

2、新型清潔無污染無碳車用燃料分析及篩選

清潔能源是指不排放污染物的可再生能源，即綠色能源?；跉淙剂系那鍧崯o污染無碳特性，我們結(jié)合日常生活中人們可以接受的無碳無污染物質(zhì)（主要有H2O、N2、O2等）來分析新型清潔無污染無碳燃料。從這些日常生活中可以接受的無碳無污染物質(zhì)中，我們可以組合出的燃料有H2、N2H4、N2、NOx、NH3等物質(zhì)，由上文可知，H2燃料因種種技術(shù)瓶頸，短期難于在車用發(fā)動機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。N2H4（肼類燃料）具有較強(qiáng)的毒性和腐蝕性，目前僅限于作為噴氣式發(fā)動機(jī)燃料和火箭燃料，不適合在車用發(fā)動機(jī)上推廣應(yīng)用。N2是一種惰性氣體，在常溫下，它不易與氧化合，只有當(dāng)溫度很高時才可與氧氣化合成NOx，顯然不適合用于發(fā)動機(jī)燃燒。NOx是一種污染氣體，也不適合大規(guī)模用于發(fā)動機(jī)燃燒。NH3作為另外一種無碳無污染清潔能源，將其作為發(fā)動機(jī)燃料的可行性已經(jīng)被國內(nèi)外研究者所驗證。

相比于氫，氨的最大優(yōu)越性在于其能量密度大（同體積的能量，液氨是液氫的1.5倍）、易液化（常壓下-33℃或常溫下9個大氣壓均可使氨液化，而氫在常壓下為-240℃）、易儲運（普通液化鋼瓶即可儲運氨，而儲運氫則需特殊材料和特殊設(shè)備），且在補給時，現(xiàn)有的加油站及加油油泵完全可以滿足液氨的加注需求。與汽油相比，雖然氨的熱值稍低，但其辛烷值遠(yuǎn)高于汽油，可通過增大壓縮比來提高發(fā)動機(jī)的熱效率，氨發(fā)動機(jī)的熱效率可達(dá)到50%以上，是通常汽油發(fā)動機(jī)的兩倍左右。由此可見，氨在將來可能成為替代化石燃料的首選。

3、氨燃料的理化性質(zhì)及在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

3.1 氨燃料的理化性質(zhì)

氨的理化性質(zhì)如表1所示，由表可知：

（1）氨的辛烷值高達(dá)到130，與氫氣、天然氣辛烷值相當(dāng)，當(dāng)作為發(fā)動機(jī)燃料時可以達(dá)到很高的壓縮比。

（2）自燃溫度與最小點火能量高，這使得氨的運輸、貯存和使用更加安全。

（3）氨的燃燒范圍并不大，在空氣中可燃極限體積分?jǐn)?shù)為16.1%~25%，不利于在稀薄條件下燃燒。

（4）氨的火焰?zhèn)鞑ニ俣刃?，這使得其在發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒時所需時間較長，不利于發(fā)動機(jī)性能的實現(xiàn)。

（5）零排放，氨中不含碳，燃燒之后沒有CO2和HC，只需考慮NOx，也是一種無碳清潔燃料。

3.2 氨燃料在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)缺點

類似于氫，氨也可以作為清潔能源來代替化石燃料，其燃燒產(chǎn)物只有水、氮氣和少量的氮氧化物。在過去的幾十年中，國外許多研究者對應(yīng)用氨作為替代燃料的可行性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明是可行的。事實上，氨的物化特性使它適合作為發(fā)動機(jī)的替代燃料。Liu R等人[11]在氨燃料SI發(fā)動機(jī)試驗中發(fā)現(xiàn)，由于氨具有較高的辛烷值，與汽油相比，使用氨燃料可采用較大壓縮比而獲得更高的熱效率。Kyunghyun Ryu等人[12]的試驗結(jié)果表明，氨合適的噴射范圍為上止點前320-370°CA，且在高負(fù)荷條件下氨燃料有較高的燃油經(jīng)濟(jì)性。相比于其它傳統(tǒng)燃料，氨作為燃料不僅能達(dá)到較好的發(fā)動機(jī)性能，且無碳無污染，對環(huán)境的危害也較?。慌c氫相比，氨具有更好的可控性和可操作性。

由于氨本身含有氮，使得其在發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒時會產(chǎn)生更多的NOx，因此，尾氣的排放與處理將是一項非常重要的工作。Fredrik R等人[13]研究發(fā)現(xiàn)利用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)可以有效降低NOx排放。氨的自燃溫度很高，且燃燒速度較慢，在作為發(fā)動機(jī)燃料時常常需要其他燃料引燃，提高燃燒速度，以保證發(fā)動機(jī)的工作性能[14]。與常用燃料相比，氨的毒性和腐蝕性尤為突出[15]。在毒性方面，現(xiàn)在已經(jīng)有了防氨面具，此外，人們在氨的生產(chǎn)、儲運和管理等方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，有利于各種安全措施的完善和執(zhí)行。在腐蝕性方面，根據(jù)Aaron J. Reiter等人[16]對氨燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)40小后時（這是一個合理測試時間），潤滑液仍滿足美國材料實驗協(xié)會（ASTM）限制要求，所以，氨的腐蝕性對潤滑油的影響很小。

由此可見，氨的上述缺點可通過采取相應(yīng)的措施得到有效的解決，因此氨作為發(fā)動機(jī)燃料是可行的。

3.3 氨燃料在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的發(fā)展趨勢

關(guān)于氨在發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用，第一項研究是Macq在1941年所進(jìn)行的[17]。20世紀(jì)六七十年代，美國汽車工程協(xié)會（SAE）曾發(fā)表了多篇有關(guān)氨燃料和氨發(fā)動機(jī)方面的學(xué)術(shù)文章。美國從2004年開始，每年舉行一次“氨學(xué)術(shù)交流會議”（Ammonia Conference），其中2008年的會議主題是“氨—美國能源獨立的關(guān)鍵”（Ammonia—the Key to US Energy Independence）[5]。雖然氨燃料發(fā)動機(jī)的研究起步較早且有很好的發(fā)展前景，但由于其一些顯著缺點如火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊偷?，?dǎo)致氨不能直接用于常規(guī)發(fā)動機(jī)[18]。氨燃料研究發(fā)現(xiàn)，氨在常規(guī)發(fā)動機(jī)上的使用有兩種方法，一是使部分氨裂解為氫氣和氮氣，裂解的氫氣加速了燃燒進(jìn)程，從而改善燃燒性能。如Westlye等人[19]在點燃式發(fā)動機(jī)上開展了氨/氫混合物試驗，對排放進(jìn)行了量化；二是將氨和一種能加速反應(yīng)進(jìn)程的燃料混合。Gross和Kong[20]在壓燃式發(fā)動機(jī)上研究了氨-二甲醚混合物的燃燒和排放特性，Reiter和Kong[16]在壓燃式發(fā)動機(jī)上研究了氨-柴油混合物的燃燒和排放特性?？傊?，在燃燒方面，氨發(fā)動機(jī)與其他助燃劑摻燒是未來發(fā)展的方向，尤其與氫作為助燃劑摻燒是未來研究的重點。

近年來相對于試驗研究，大量的數(shù)值模擬也被用來預(yù)測氨的燃燒過程。因為NOx是氨燃燒后的唯一污染物，所以在過去開展的大多數(shù)研究中，一個主要的目標(biāo)就是降低NOx排放濃度。一般來說，在氨火焰中，NOx生成的主要來源是燃料結(jié)合氮（稱為燃料型NOx）而非大氣氮熱合成的NOx（稱為熱力型NOx）[21]。因此，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，合理了解氨燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，并詳細(xì)分析NOx形成路徑來準(zhǔn)確地預(yù)測氨燃燒的排放是未來研究的重要方向。

隨著氨燃料發(fā)動機(jī)研究的逐漸深入和相關(guān)技術(shù)難題的解決，氨將作為車用替代能源獲得廣泛的應(yīng)用，這對于嚴(yán)重能源危機(jī)與大氣環(huán)境污染的我國真正可以做到“氨經(jīng)濟(jì)，安天下”！

4、總結(jié)

在溫室效應(yīng)、環(huán)境污染、能源危機(jī)越來越嚴(yán)重的今天，開發(fā)新型無碳無污染清潔能源來代替化石燃料必然成為未來的發(fā)展方向。氫因難于液化、易于發(fā)生異常燃燒、建氫氣站需巨額投資等問題，一時很難在車用發(fā)動機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。

本文分析了氫的理化性能和氫燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)缺點。并基于氫燃料的清潔無污染無碳特性，結(jié)合日常生活中人們可以接受的無碳無污染物質(zhì)分析出新型清潔無污染無碳燃料——氨；進(jìn)一步研究了氨的理化性質(zhì)與氨燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)缺點，結(jié)果表明：氨具備便于儲運、低污染、高辛烷值、儲量豐富、價格便宜等優(yōu)點，其作為發(fā)動機(jī)燃料優(yōu)勢十分明顯；然而，氨也有自燃溫度與最小點火能量高，火焰燃燒速度慢、NOx排放高等缺點。并在此基礎(chǔ)上指明了氨燃料發(fā)動機(jī)今后的研究趨勢主要集中在混合燃料摻燒、NOx處理等方面。

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中圖分類號：TK46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-81-04

作者簡介：郭朋彥，副教授，就職于華北水利水電大學(xué)。

Analysis of the application of hydrogen/ammonia fuel in the engine

Guo Pengyan, Liu Zichuan, Shao Fangge, Shen Fang, Chen Lei
( North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045 )

Abstract:The physicochemical properties of hydrogen and the advantages and disadvantages of the hydrogen engine have been briefly analyzed. Based on the clean pollution-free carbon-free characteristics of hydrogen fuel, a new clean pollution-free carbon-free fuel(ammonia) was found from the foods and drinks that people can accept in daily life.The physicochemical properties of ammonia and the advantages and disadvantages of ammonia fuel engine have been further researched. The results showed that ammonia as an engine fuel has obvious advantages, but it also has shortcomings. On this basis, the tendency of ammonia fuel engine studies was pointed out that which will mainly focus on the combustion analysis of mixed fuels, the treatment of NOx, etc.

Keywords:hydrogen; ammonia; clean pollution-free carbon-free fuel; engine; application analysis