氨燃料發(fā)動機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭朋彥， 申方， 王麗君， 邵方閣， 周鵬

(1. 華北水利水電大學機械學院， 河南 鄭州 450045；2. 華北水利水電大學車輛與新能源技術研究院， 河南 鄭州 450045)

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·綜合評述·

氨燃料發(fā)動機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭朋彥1,2， 申方1， 王麗君1， 邵方閣1， 周鵬1

(1. 華北水利水電大學機械學院， 河南 鄭州 450045；2. 華北水利水電大學車輛與新能源技術研究院， 河南 鄭州 450045)

介紹了氨的理化及燃燒特性，分析了國內(nèi)外氨燃料發(fā)動機的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，研究了氨燃料發(fā)動機在技術可行性、推廣應用基礎、節(jié)能環(huán)保、能源安全等方面的優(yōu)勢，進一步討論了氨燃料發(fā)動機在今后發(fā)展中所面臨的挑戰(zhàn)及應對策略，并指明了氨燃料發(fā)動機的發(fā)展趨勢。

發(fā)動機； 氨燃料； 研究現(xiàn)狀； 發(fā)展趨勢

隨著環(huán)境污染、溫室效應與能源短缺的加劇，新的替代能源越來越受到關注。

在交通運輸行業(yè)，已經(jīng)開發(fā)的替代能源有電能(車用電池)、天然氣、生物能、氫能等，但是，它們在大規(guī)模應用方面都面臨著諸多挑戰(zhàn)。車用電池的使用壽命、續(xù)航能力、再充電能力有限，廢后處理等也需要特殊考慮[1]。天然氣、生物燃料都是碳鏈結(jié)構，燃燒會增加CO2排放，而我國2013年碳排放量占全球總量的27.7%，大于美國和歐盟的總和，人均碳排放比全球平均水平高45%，減排任務艱巨。根據(jù)2015年《中美元首氣候變化聯(lián)合聲明》，我國將于2017年開始在全國范圍內(nèi)推行碳排放交易系統(tǒng)(對溫室氣體排放量設定價格以限制其排放)。氫被認為是最有前景的可再生清潔燃料，但氫氣因難于液化而給運輸、加注、使用帶來諸多麻煩，美國阿貢國家實驗室研究指出，利用現(xiàn)存或相近的商業(yè)技術來建造氫生產(chǎn)基礎設施的成本將高達6 000多億美元[2]，這對車企和當?shù)卣畞碚f是一筆不小的開支。此外，氫氣還存在因能量密度低、點火能量低、燃燒速度快帶來的早燃、回火等技術瓶頸，這些技術難題使其大規(guī)模應用在汽車等小型運輸工具的目標一時還難以實現(xiàn)，所以，有人仍然把氫燃料視為“未來的燃料”[3]。

與氫相同，氨不含碳元素，完全燃燒只產(chǎn)生清潔無污染的水和氮氣，且其含氫量高，目前已有廣泛使用的基礎設施，故被認為是可用于發(fā)動機的理想綠色燃料之一。氨還具備常用燃料應有的主要特點：廉價易得、易揮發(fā)、便于貯運、適當?shù)娜紵?、高辛烷值、操作相對安全、可與一般燃料兼容等[4]。本研究就氨的理化及燃燒特性，氨發(fā)動機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，氨發(fā)動機的優(yōu)勢、面臨的挑戰(zhàn)、應對策略及發(fā)展趨勢進行了分析闡述。

1 氨燃料的特性

1.1 氨燃料的理化特性

氨為氮氫化合物，可人工合成，工業(yè)化生產(chǎn)已有近百年歷史，是目前除硫酸外產(chǎn)量最大的化工產(chǎn)品。氨可以輕松地儲存在塑料油箱中，便于運輸；在補給時，現(xiàn)有的加油站完全可以滿足液氨的加注需求。因此，氨作為燃料使用，不需對現(xiàn)有的基礎設施進行改造。

1.2 氨燃料的燃燒特性

相對于氫，氨的優(yōu)點是能量密度大(是液氫的1.5倍)、易液化(常壓下-33 ℃或常溫下0.9 MPa，而氫在常壓下為-240 ℃)、易貯運(普通液化鋼瓶即可，而氫則需特殊材料和特殊設備)。與汽油相比，氨的熱值稍低，但其辛烷值較高，可通過增大壓縮比使發(fā)動機的熱效率提高到50%以上，是普通汽油發(fā)動機的兩倍左右。不僅如此，以液氨為燃料的車輛可得到幾乎免費的空調(diào)——液氨在汽化時大量吸熱[2]。

氨與其他常用燃料的部分性能特點比較[2]見表1，從表1可知：

1) 氨的辛烷值較高，抗爆性能好，在具有高壓縮比的發(fā)動機上使用不產(chǎn)生劇烈爆震；氨的燃點高，使用時需要較高壓縮比才能保證混合氣被點燃；

2) 氨的能量密度比氫和天然氣高，這意味著在汽車上使用時，相同工況下氨油箱相對較小，可節(jié)省空間,或可減小裝載燃料的質(zhì)量，從而提高有效裝載質(zhì)量。

表1 氨與其他燃料的性能特點比較

2 氨燃料發(fā)動機的研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

早在1941年，比利時的A. Macq[5]就提出將氨作為燃料應用于發(fā)動機，并將氨成功地應用到從輕型到重型的各種車輛上，其研究發(fā)現(xiàn)，在汽油機的壓縮比下使用氨燃料應采用增壓技術和廢氣燃料重整技術來滿足發(fā)動機的動力性能要求。

1963年，美國航天局的X-15型試驗機以當時人類航空史上最高時速飛上太空[6]，這為氨作為動力燃料的潛能提供了毋庸置疑的證明。

1966年，E. S. Starkman等[7]結(jié)合已有的理論和試驗進行了氨燃料重整技術研究，結(jié)果表明：要使氨燃料在汽油機上使用時能夠達到良好的性能，富氫重整氣中氫氣的濃度須達到4%以上。

2000年后，氨燃料的研究得到了飛速發(fā)展。 R. Liu等人[8]試驗發(fā)現(xiàn)，氨具有較高的辛烷值，使用氨燃料能采用較大壓縮比而獲得更高的熱效率。C. Duynslaegher等人[9]的研究結(jié)果見圖1，可見當量比和壓縮比對氨燃燒層流燃燒速度和絕熱火焰溫度有重要影響。S. M. Grannell等人[10]研究了氨和汽油雙燃料發(fā)動機的燃燒和排放性能，發(fā)現(xiàn)氨抗爆性強，比較適合發(fā)動機低轉(zhuǎn)速高負荷工況。K. Ryu等人[1]的汽油-氨混合燃料試驗結(jié)果見圖2，研究發(fā)現(xiàn)，噴射正時為上止點前320°～370°時氨燃料可以提供較大的功率，但氨的使用導致了NH3和NOx排放增加。S. O. Haputhanthri等[11]發(fā)現(xiàn)使用乙醇作為乳化劑，可將氨融入汽油中進行混合燃燒，且在轉(zhuǎn)速高、含氨量高時發(fā)動機的輸出扭矩和功率較高。A. J. Reiter等[12]在壓燃發(fā)動機上對氨混合柴油燃燒可行性進行了試驗，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出：對于相同的發(fā)動機性能，氨的能量替代率可以達到 95%以上。C. W. Gross等[13]在壓燃式發(fā)動機上開發(fā)了新型高壓燃料混合與噴射系統(tǒng)，并對氨-二甲醚混合物進行了試驗，測量了氨和氮氧化物的排放水平。C. S. Mrch等[14]采用氨-氫燃料以不同的過量空氣系數(shù)和氨氫比在SI發(fā)動機上進行了一系列試驗，結(jié)果表明：氫氣占體積分數(shù)10%時發(fā)動機的效率和功率最好。F. R. Westlye等[15]通過試驗研究，提出了NH3/H2燃料發(fā)動機中未燃燒氨的裂縫機制，比較了汽油和氨發(fā)動機的排放水平，并指明可以采用SCR技術來降低氨發(fā)動機尾氣中NOx排放。S. Frigo等[16]試驗發(fā)現(xiàn)，用氫作為氨發(fā)動機的引燃劑可以有效提高氨的燃燒速度，添加比例主要依賴于負荷。K. Ryu等[17]的研究表明，使用催化劑將部分氨裂解為H2和N2后與氨混合燃燒，可提高發(fā)動機燃燒性能，且降低了排放。以上系列研究表明：以氨為組分的混合燃料在車用發(fā)動機上應用可獲得較好的性能。

從 2004 年開始，美國每年舉行一次“氨學術交流會議”， 2008 年會議主題為“氨——美國能源獨立的關鍵”[18]，氨能源在美國得到了研究人員和政府的較高認可。俄羅斯Energomash公司正著手研制采用氨-乙炔混合燃料的新型火箭發(fā)動機，并計劃在2017～2018年發(fā)射裝有這種新型發(fā)動機的火箭[19]。

圖1 氨燃燒特性

圖2 汽油-氨混合燃料試驗結(jié)果

圖3 氨混合柴油可行性試驗結(jié)果

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國是目前世界上氨產(chǎn)量和用量最多的國家，占世界總產(chǎn)量的1/3左右，因而我國有優(yōu)異的條件逐步實現(xiàn)從現(xiàn)有的化石能源轉(zhuǎn)向可再生的氨能源。但迄今為止，國內(nèi)僅有數(shù)例氨燃料發(fā)動機方面的報道，我國對氨燃料發(fā)動機的相關研究尚處于萌芽階段。

2014年韓偉等[20]研究了乙炔氨火箭推進劑，結(jié)果表明：乙炔含量為25%的乙炔氨推進劑在比沖和安全性兩方面性能最優(yōu)，比現(xiàn)有的火箭煤油比沖高14 s。同年，胡劍全等[21]在汽油-液化氣雙燃料發(fā)電機組上對氨氣-液化氣混合燃料進行了試驗研究，結(jié)果表明：氨氣-液化氣混合燃料發(fā)電機在一定程度上可保持負載性能，氨氣比例增加到一定值時，發(fā)電機的輸出功率和電壓會逐漸下降(見圖4)。2014年鐘紹華、萬桂芹等人[22-23]基于Chemkin仿真分析了氨-正庚烷混合燃料發(fā)動機缸內(nèi)燃燒，結(jié)果表明：使用正庚烷引燃氨可以顯著降低缸內(nèi)燃料對進氣溫度和壓縮比等運行條件的要求(見圖5)。

圖4 發(fā)電機功率和輸出電壓隨氨體積分數(shù)的變化

圖5 正庚烷引燃氨缸內(nèi)燃燒分析

3 氨燃料發(fā)動機的優(yōu)勢

盡管人們對氨的研究仍處于起步階段，但氨作為發(fā)動機燃料可以解決目前困擾氫發(fā)動機推廣應用的諸多技術難題。氨燃料發(fā)動機在以下幾方面具有明顯優(yōu)勢：

1) 技術可行性。氨具有較好的理化特性，儲存、運輸容易，也具有發(fā)動機常用燃料的主要特點；氨可在現(xiàn)有發(fā)動機上使用，可利用已成熟的發(fā)動機技術積累，實現(xiàn)相對容易，因此，有望率先被大眾接受。

2) 推廣應用基礎。氨長期以來被廣泛應用于化工和農(nóng)業(yè)等諸多領域，且用量大、用途廣，在生產(chǎn)、儲運、供給等各方面積累了豐富的經(jīng)驗并已形成體系，各種安全措施較為完善，因而氨燃料具有良好的推廣應用基礎。

3) 經(jīng)濟與環(huán)保。世界多數(shù)國家和地區(qū)的液氨單位能量價格已低于汽油，且氨是一種便于以其他資源來合成的燃料，在長期走勢上，其價格將與各種現(xiàn)有能源的最低價格大致吻合。因此，使用氨燃料可避免由某一特定能源的供求失衡而引起的價格沖擊，可始終保持其經(jīng)濟性。氨燃料不僅能解決能源緊張問題，且完全燃燒的產(chǎn)物只有氮氣和水，不含溫室氣體和其他碳類有害污染物，環(huán)保性好。

4) 國家能源安全。氨燃料發(fā)動機的推廣應用，有利于我國從現(xiàn)有的化石能源轉(zhuǎn)向可再生的天然能源，自力更生地以可再生的氨燃料來實現(xiàn)我國的能源自給，不僅能為我國的長治久安提供必要的物質(zhì)基礎，亦可從戰(zhàn)略上確保我國的能源安全。

由此可知，氨燃料發(fā)動機有較好的應用前景，這就需要我們進一步研究，以使我國在這一未來的新型能源上占領制高點。

4 氨燃料發(fā)動機面臨的挑戰(zhàn)、對策及發(fā)展趨勢

4.1 氨燃料發(fā)動機面臨的挑戰(zhàn)及對策

氨具有輕微的毒性，但只有當它的濃度達到可被覺察到的濃度的1000倍時才會致命，且人們對氨氣強烈的刺激性氣味極其敏感(在20×10-6～53×10-6范圍內(nèi))，所以，很容易發(fā)現(xiàn)氨氣泄漏，并且現(xiàn)在已經(jīng)有了專用的防氨面具[4]。另外氨燃燒起來很慢，它和空氣的混合物也不容易點燃，燃點在800 ℃左右，只有當在空氣中質(zhì)量分數(shù)達到13%～34%(比氫和烴燃料要高得多)才會發(fā)生，燃燒范圍并不大。而且氨氣的密度較小，泄漏后擴散較快，不會積聚；因此當氨不慎泄漏時，著火的危險性比較低，何況氨極易溶于水，補救時也容易處理。泄漏在大氣中的氨還可以參與自然循環(huán)，隨雨雪移動，和其他物質(zhì)反應或被植物吸收。所以，氨泄漏不會成為氨在發(fā)動機上應用的技術問題。

氨具有腐蝕性，會腐蝕部分金屬，如銅、銀、錫、鋅及其合金，但發(fā)動機機的金屬材料基本為鑄鐵與鋼，不會被腐蝕[21]。Aaron J. Reiter等[12]對氨燃料發(fā)動機進行了腐蝕性測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運轉(zhuǎn)40 h后(對發(fā)動機來說，這是一個合理測試時間)，發(fā)動機潤滑液仍滿足美國材料實驗協(xié)會(ASTM)限制要求，氨的腐蝕性對潤滑油的影響很小。因此氨作為燃料在改造后的發(fā)動機上使用是安全的，對環(huán)境也是友好的。

與其他燃料相比，氨作發(fā)動機燃料存在燃點及最小點火能量較高、燃燒速度慢和燃燒溫度低等問題，因而需要使用引燃燃料。常見的引燃燃料有乙炔、二甲醚、汽油、柴油、氫等，然而只有氫是無碳綠色引燃燃料；氫的點火能量極低，約為氨的3/10 000，且具有燃燒界限寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⑷紵郎囟雀叩忍攸c。在實際的氨發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)中，使一部分氨燃料在旁路系統(tǒng)的催化劑或高溫條件下裂解產(chǎn)生H2，然后與主供給系統(tǒng)中氨燃料進行混合，形成氨-氫混合燃料后進入發(fā)動機氣缸內(nèi)進行燃燒，從而使裂解出來的氫在氣缸內(nèi)引燃氨燃料，達到氨氫燃燒性能互補。

氨的低熱值較低，單位質(zhì)量氨燃燒放出的熱量相對較少，可通過加大進氣壓力或壓縮比來提高進入發(fā)動機缸內(nèi)的氨燃料數(shù)量[23]，從而提高最終進入氣缸的總能量。

氨為含氮燃料，不完全燃燒時會造成NOx，NH3排放增加。目前，柴油機上廣泛應用的SCR方法可使NOx凈化率達到90%[24-25]，而且可以用燃料氨代替SCR中的尿素，減少現(xiàn)有車輛上多次加注尿素的麻煩，也杜絕了部分司機私自改裝車輛而不加注尿素導致環(huán)境污染的可能。尾氣中的NH3則很容易吸收或處理。

4.2 氨燃料發(fā)動機的發(fā)展趨勢

由于氨燃料的諸多優(yōu)點，可以預見在今后一段時間內(nèi)，氨發(fā)動機將成為國內(nèi)外的研究熱點，其研究將主要集中在3個方面：

1) 燃料與燃燒方面。采用數(shù)值仿真和試驗研究相結(jié)合的方法來研究氨與各種引燃劑的混合燃燒機理與排放特性(尤其是氨氫混合)，包括點燃和壓燃。

2) 反應機理方面。針對不同目標和需求，對氨及氨與各種燃料混合燃燒的反應機理進行分析、簡化、數(shù)值仿真與試驗驗證等。

3) 排放處理方面。對氨與NOx的反應機理進行分析、簡化、數(shù)值仿真與試驗驗證，針對各種氨混合燃料(如氨-氫混合燃料)發(fā)動機，研究燃料氨直接用于NOx后處理的供氨策略與各類發(fā)動機尾氣特性(如速度、溫度、濃度等)、純氨供給條件間的耦合關系。

5 結(jié)束語

氨燃料作為發(fā)動機的替代能源，對減少環(huán)境污染、降低溫室效應、緩解能源危機等方面都具有十分重要的意義。本文介紹了氨燃料的理化與燃燒特性，分析了國內(nèi)外氨燃料發(fā)動機的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，討論了氨燃料發(fā)動機的優(yōu)勢、面臨的挑戰(zhàn)、對策及今后發(fā)展趨勢，對我國氨燃料發(fā)動機的研究與發(fā)展具有一定的促進意義。

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[編輯： 袁曉燕]

GUO Pengyan1,2, SHEN Fang1, WANG Lijun1, SHAO Fangge1, ZHOU Peng1

(1. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China；2. Institute of Vehicles and New Energy Technology, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

First, the physical and chemical properties and combustion characteristics of ammonia fuel were introduced, the developing process and research status of domestic and foreign ammonia-fueled engines were analyzed, and the advantages of technical feasibility, popularization and application foundation, energy saving, environment protection and energy security were studied. Then, the forthcoming challenges and coping strategies in the future were discussed. Finally, the development trend was pointed out.

engine; ammonia fuel; research status; development trend

2015-11-01；

2016-05-02

河南省科技創(chuàng)新杰出青年人才計劃(164100510018)；河南省高?？萍紕?chuàng)新人才計劃(14HASTIT001)；河南省教育廳科學技術研究重點項目資助計劃(13A460693)

郭朋彥(1981—)，男，副教授，博士，主要從事車輛與發(fā)動機方面的研究；guopengyan1@163.com。

王麗君(1971—)，女，教授，博士，主要從事車輛與發(fā)動機方面的控制研究；wanglijun@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.001

TK464

A

1001-2222(2016)03-0001-05