零碳及低碳燃料內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用進(jìn)展分析

李心成，萬軍杰，呂亮，仲躋風(fēng)，李守哲

摘要： 隨著“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn)，世界各國對(duì)內(nèi)燃機(jī)碳排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)苛，如何突破常規(guī)化石燃料帶來的高碳排放問題，對(duì)于未來交通發(fā)展尤為重要。目前，采用氫、氨、甲醇等零碳及低碳燃料替代傳統(tǒng)化石燃料是必然的選擇，零碳及低碳內(nèi)燃機(jī)是現(xiàn)在和未來的研發(fā)熱點(diǎn)。為助力零碳及低碳內(nèi)燃機(jī)快速發(fā)展，闡述了氫、氨、甲醇、乙醇以及天然氣等燃料的物化特性，同時(shí)分析它們?cè)趦?nèi)燃機(jī)中最新應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)其未來發(fā)展所面臨的問題給出相應(yīng)參考建議。

關(guān)鍵詞： 內(nèi)燃機(jī)；零碳燃料；低碳燃料；混合燃料；碳中和；排放

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.001

中圖分類號(hào)： TK46文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1001-２２２２（２０24）０3-００01-０9

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球化石能源消耗排放CO2高達(dá)366億t，較2021年增長1%，再創(chuàng)歷史新高［1］。其中，國內(nèi)化石能源碳排放量為114億t，位居全球第一。作為全球第一大碳排放國，如期達(dá)成“雙碳戰(zhàn)略”目標(biāo)面臨巨大壓力。

國內(nèi)化石能源消耗占總能源消耗的80%以上，而可再生能源消耗僅占15%［2］。可再生能源是一種以太陽能、風(fēng)能等為主的清潔能源。相比于化石能源，可再生能源不產(chǎn)生或產(chǎn)生少量碳排放，且產(chǎn)生的碳排放可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。因此，應(yīng)當(dāng)大幅度提高可再生能源在我國能源消耗中的占比。從化石能源向可再生能源過渡是一個(gè)復(fù)雜而緩慢的過程，會(huì)面臨諸多問題。為了實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，應(yīng)從這幾個(gè)方面著手：首先，提高化石能源利用效率，減少能源消耗；其次，大力發(fā)展可再生能源，逐步取代化石能源；最后，實(shí)現(xiàn)以可再生能源為主，以化石能源為輔的能源新格局。風(fēng)、光、地?zé)帷⒊毕瓤稍偕茉从糜诎l(fā)電，受其間歇性影響，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊，如果將多余電能轉(zhuǎn)化為可再生燃料，是一種非常有前景的解決方案?？稍偕剂习?、氨、醇、醚以及生物柴油等合成燃料。它們既能作為能源儲(chǔ)備，又可作為內(nèi)燃機(jī)燃料，從而使車輛減少化石能源消耗，甚至脫離化石能源，實(shí)現(xiàn)燃料的零碳排放［3］。

為助力“雙碳戰(zhàn)略”早日達(dá)成，可將零碳及低碳燃料應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)，取代傳統(tǒng)汽油、柴油等化石燃料。目前，可以應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的零碳燃料主要是氫和氨，低碳燃料則是甲醇、乙醇、丁醇、甲醚等。本研究簡(jiǎn)要介紹了幾類具有應(yīng)用潛力的零碳及低碳燃料物化特性、最新應(yīng)用以及所面臨的問題與挑戰(zhàn)，旨在為零碳及低碳內(nèi)燃機(jī)的未來發(fā)展提供參考。

1零碳及低碳燃料特性

所謂零碳及低碳燃料是指在燃燒或使用過程中，不會(huì)產(chǎn)生或少量產(chǎn)生二氧化碳（CO2）等溫室氣體的燃料，如氫、氨、甲醇、天然氣等。雖然零碳、低碳燃料的使用對(duì)環(huán)境友好，能夠大幅度降低溫室氣體的排放，但其物理化學(xué)性質(zhì)的差異也導(dǎo)致它們被利用的難度千差萬別。為了更好使用零碳及低碳燃料，助力“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)，必須先研究它們的物化特性，揚(yáng)長避短，方能發(fā)揮其最大價(jià)值。

1.1零碳燃料

目前，比較主流的零碳燃料是氫和氨，它們的結(jié)構(gòu)組成中不含有碳元素，在使用或燃燒時(shí)不排放CO2氣體，被認(rèn)為是理想的化石能源替代品。

1.1.1氫燃料

在常溫常壓下，氫氣（H2）是一種無色無味極易燃燒，且難溶于水的氣體，是世界上已知密度最小的氣體，其密度為0.089 kg/m3。氫的熔點(diǎn)為-259 ℃，沸點(diǎn)為-253 ℃，爆炸極限為4%～74%。

通常，氫的來源有電解水制氫、化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫以及生物質(zhì)制氫［4］。其中，化石能源制氫與工業(yè)副產(chǎn)物制氫是最常用的制氫方式。根據(jù)制氫過程不同，可將氫氣分為綠氫、藍(lán)氫以及灰氫（見圖1）。因灰氫生產(chǎn)成本低，制氫工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，目前市面上絕大部分氫氣是灰氫，占當(dāng)今全球氫氣產(chǎn)量的90%以上［5］。未來隨著光伏、風(fēng)能、水力等發(fā)電規(guī)模日益擴(kuò)大，利用可再生能源制氫進(jìn)行儲(chǔ)能的做法會(huì)越來越普遍，這將導(dǎo)致綠氫產(chǎn)量急劇上升。

1.1.2氨燃料

氨氣（NH3），無機(jī)化合物，是一種無色、有強(qiáng)烈刺激氣味的氣體。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氨氣密度為0.771 kg/m3，閃點(diǎn)為11 ℃，著火點(diǎn)為651 ℃。在常溫下加壓即可使其液化，沸點(diǎn)為-34 ℃，易凝結(jié)成雪狀固體，熔點(diǎn)為-78 ℃，可溶于水、乙醇、乙醚等物質(zhì)。氨氣經(jīng)過加熱可分解成氮?dú)夂蜌錃猓哂羞€原作用，即氨氣可由氫氣與空氣中氮?dú)饨Y(jié)合而生成。

未來若要滿足零碳排放目標(biāo)，合成氨工藝需要三代技術(shù)開發(fā)與迭代（見圖2）。其中，第一代技術(shù)以藍(lán)氫為原料，以確保在Haber-Bosch法制氨過程中CO2進(jìn)行了捕捉與封存；第二代技術(shù)以綠氫為原料，通過Haber-Bosch法實(shí)現(xiàn)綠氨制備；第三代技術(shù)則通過氮電還原直接制氨技術(shù)直接合成氨，避免了產(chǎn)氫環(huán)節(jié)與Haber-Bosch法的使用［6］，該技術(shù)相比Haber-Bosch法具有能耗低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但是這項(xiàng)技術(shù)目前受制于催化效率與反應(yīng)速率低等問題，仍處于研發(fā)探索階段。

如圖2所示，第一代合成氨技術(shù)面臨“雙碳”戰(zhàn)略壓力，未來會(huì)逐步退出市場(chǎng)；第二代合成氨技術(shù)會(huì)取代第一代技術(shù)，并逐漸發(fā)展壯大成為主流制氨技術(shù)；第三代合成氨技術(shù)則受限于效率、成熟度、可行性等問題，但隨著全球“氨經(jīng)濟(jì)”的快速發(fā)展，這些問題在未來會(huì)逐步突破［7］。

1.2低碳燃料

相比化石能源，低碳燃料的碳排放量更低，對(duì)于減碳降碳具有一定的作用。將其作為化石燃料到零碳燃料過渡階段的替代，是一種不錯(cuò)的選擇。目前主流的低碳燃料有甲醇、乙醇、天然氣、二甲醚等。

1.2.1甲醇燃料

甲醇（CH3OH）為飽和一元醇，是最簡(jiǎn)單的醇類物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量為32.04，沸點(diǎn)為65 ℃，閃點(diǎn)為16 ℃?，F(xiàn)代甲醇直接從一氧化碳，二氧化碳和氫的一個(gè)催化作用的工業(yè)過程中制備。甲醇密度為0.791 g/cm3，比水輕、揮發(fā)性強(qiáng)、無色、易燃，并有與乙醇（飲用酒）非常相似的氣味。但不同于乙醇，甲醇毒性大，不可以飲用。通常用作溶劑、防凍劑、燃料或變性劑乙醇，也可用于生產(chǎn)生物柴油。

目前，中國在甲醇生產(chǎn)與消費(fèi)方面均位居世界第一，約占全球產(chǎn)量的90%以上，2023年底國內(nèi)甲醇產(chǎn)能有望突破1億t［8］。其中，絕大部分甲醇是通過合成法制備而成，即在高溫高壓下，將天然氣或煤等碳源氣化生成CO和H2，然后經(jīng)過一系列催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成甲醇［9］。這種方式能耗高，消耗大量化石燃料，不符合“碳中和”理念，若采用“綠氫+碳捕捉利用”的方法，每生產(chǎn)1 t綠色甲醇可消耗0.9 t來自環(huán)境中的CO2。綠色甲醇可實(shí)現(xiàn)零碳排放，是未來交通能源的有力選擇，其制備工藝如圖3所示。

值得注意的是，采用可再生電力及工業(yè)排放的CO2合成綠色甲醇，既解決了可再生電力的波動(dòng)性與間歇性問題［10］，又實(shí)現(xiàn)了電“液態(tài)”存儲(chǔ)，消納工業(yè)CO2排放，達(dá)到減碳、固碳目的［11］。

1.2.2乙醇燃料

乙醇（C2H5OH）又稱酒精，常溫常壓下為無色透明液體，熔點(diǎn)為-117 ℃，沸點(diǎn)為78 ℃，閃點(diǎn)為14 ℃，低毒性，易揮發(fā)。

乙醇制備方法有合成法［12］和發(fā)酵法［13］兩種。其中，合成法又可分為直接合成法與間接合成法，直接合成法是利用煉焦油、石油裂解所得乙烯直接發(fā)生加成反應(yīng)來合成乙醇。該方式原料來源于石油裂解氣，具有產(chǎn)量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是主要的制乙醇方式之一。發(fā)酵法則采用糖類、淀粉等原料發(fā)酵而成，該過程會(huì)伴隨一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)。隨著原料價(jià)格的不斷上漲，糖類發(fā)酵法與石油裂化催化合成法制備燃料乙醇成本和能耗較高［14］，作為燃料經(jīng)濟(jì)性差。

乙醇燃燒產(chǎn)生能量太低，不適合直接用作燃料，通常將其作為添加劑，添加到其他燃料中，形成混合燃料（如乙醇汽油）。乙醇作為添加劑，好處是可有效提高汽油辛烷值，降低汽車有害尾氣及固體顆粒物的排放。

1.2.3天然氣燃料

天然氣是一種混合氣體，主要由甲烷構(gòu)成，并含有少量乙烷、丙烷、丁烷等（見表1），是地球上最干凈的化石能源。天然氣沸點(diǎn)為-164 ℃，熔點(diǎn)為-183 ℃，無色、無味、無毒且無腐蝕性。在等量情況下，液化天然氣體積僅為氣態(tài)的2‰，其質(zhì)量約為同體積水的45%。

天然氣燃燒穩(wěn)定，不易積炭，價(jià)格便宜，可以減少20%～30%CO2排放［15-16］，目前廣泛應(yīng)用于交通出行、物流運(yùn)輸、發(fā)電、石油開采、船舶等領(lǐng)域。

1.3各燃料物化特性

燃料的物化特性直接決定了其適用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型，其中，辛烷值、可燃極限、自燃溫度、最小點(diǎn)火能量、空燃比以及火焰速度等燃料特性直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能［3］。本研究總結(jié)了各種內(nèi)燃機(jī)常用燃料物化性質(zhì)，如表2所示。

辛烷值是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)燃料抗爆性能的關(guān)鍵指標(biāo)，高辛烷值燃料具有抗爆性能好，動(dòng)力輸出強(qiáng)，燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)。從表2可知，汽油的辛烷值在90～98之間，而氫、氨、天然氣的辛烷值則可達(dá)120以上。在抗爆性方面，氫、氨、甲醇、乙醇和天然氣明顯強(qiáng)于汽油?？扇紭O限反映了混合氣能夠燃燒時(shí)燃料所占的比例。例如，空氣中氫氣濃度在4%到75.6%之間均可被點(diǎn)燃，與其他燃料相比，氫氣擁有更廣的可燃性。這就允許內(nèi)燃機(jī)以不同濃度混合氣工作：想要內(nèi)燃機(jī)有更好的經(jīng)濟(jì)性，選擇稀薄混合氣；想要內(nèi)燃機(jī)有更好的動(dòng)力性，則選擇高濃度混合氣。同時(shí)，在稀薄條件下，燃燒速度較慢，缸內(nèi)溫度峰值也會(huì)降低，從而使得氫內(nèi)燃機(jī)NOx排放更少。自燃溫度是決定發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的主要參數(shù)。由于高壓縮比必然會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)升溫，低自燃溫度的燃料會(huì)在高壓縮比情況下出現(xiàn)提前燃燒現(xiàn)象，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)。相比汽油、天然氣等，氫燃料具有更高的自燃溫度，意味著能夠擁有更高的壓縮比，為進(jìn)一步提升內(nèi)燃機(jī)熱效率提供了可能。最小點(diǎn)火能量是點(diǎn)燃混合氣的最小能量。作為化石能源的代表，汽油最小點(diǎn)火能量需要0.14 mJ，而氫僅需0.01 mJ，兩者差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。氫氣具有較小的最小點(diǎn)火能量，更容易點(diǎn)燃缸內(nèi)混合氣并迅速啟動(dòng)，但也意味著被其他熱源點(diǎn)燃的風(fēng)險(xiǎn)更大。與氫燃料相比，氨的最小點(diǎn)火能量高達(dá)8 mJ，點(diǎn)燃十分困難，氨用作內(nèi)燃機(jī)燃料需要考慮這個(gè)問題。

2零碳及低碳燃料內(nèi)燃機(jī)研究與應(yīng)用進(jìn)展

通常，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)燃料著火方式不同，可將其分為點(diǎn)燃式（spark ignition，SI）和壓燃式（compression ignition，CI）。針對(duì)燃料不同的物化性質(zhì)，選擇與其相匹配的內(nèi)燃機(jī)，才能發(fā)揮燃料最大性能。

2.1氫內(nèi)燃機(jī)

基于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)成熟的制造工藝和成本優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)外氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)展較為迅速。通過采用缸內(nèi)直噴技術(shù)（direct injection，DI）以及進(jìn)氣道噴射技術(shù)（port fuel injection，PFI），國內(nèi)外企業(yè)紛紛推出氫內(nèi)燃機(jī)（見表3）。在國內(nèi)，如玉柴YCK05H燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)，排量5.2 L，最大功率120 kW，采用高壓多點(diǎn)進(jìn)氣道噴射技術(shù)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)進(jìn)氣，提升進(jìn)氣量，提升燃燒效率。在缸內(nèi)直噴方面，玉柴YCK16H重型缸內(nèi)直噴燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)，排量達(dá)15.93 L，最大功率達(dá)412 kW。在2022年6月8日，中國一汽推出了兩款缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，排量分別為2.5 L和13 L。其中，13 L重型氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了氫燃料缸內(nèi)直噴，也對(duì)單獨(dú)氣道噴射、缸內(nèi)與氣道聯(lián)合噴射、氨氫混合的復(fù)合燃料噴射具有很好的適應(yīng)性。國內(nèi)其他企業(yè)，如濰柴、新動(dòng)力、廣汽、北汽、吉利、長安等，也都紛紛推出了自己的氫內(nèi)燃機(jī)。

在國外，道依茨在2021年開發(fā)了7.8 L 6缸氫發(fā)動(dòng)機(jī)，功率可達(dá)200 kW，已經(jīng)通過了初步測(cè)試，并計(jì)劃于2024年全面投產(chǎn)。康明斯在2022年5月漢諾威車展推出了6.7 L和15 L兩款氫氣內(nèi)燃機(jī)，標(biāo)定功率分別為216 kW和395 kW，采用了缸內(nèi)直噴、稀薄燃燒等技術(shù)，配備柴油油箱，通過壓燃柴油引燃?xì)錃?，需要配備尾氣處理裝置?？ㄌ乇死沼?021年底推出了G3516H純氫內(nèi)燃機(jī)，該機(jī)以天然氣內(nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)改進(jìn)而來，其標(biāo)定功率為1 250 kW，主要用于電廠發(fā)電。MTU也有類似的氫內(nèi)燃機(jī)，S4000L64純氫十二缸發(fā)動(dòng)機(jī)，2023年初已順利通過測(cè)試。MAN公司從2021年開始，以16.8 L的直列6缸柴油機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行氫發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)，并提出氫氣低壓直噴的均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)。同時(shí)，對(duì)原柴油機(jī)的燃料噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、氣門系統(tǒng)、缸蓋等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終開發(fā)出壓縮比為13，氫噴射壓力為2.2 MPa的氫發(fā)動(dòng)機(jī)。其他企業(yè)，如約翰迪爾、久保田、雅馬哈等也發(fā)布了氫發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率在80～130 kW之間，用于家用汽車、小型農(nóng)機(jī)等。目前，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在卡車上已經(jīng)成功應(yīng)用，未來隨著技術(shù)的不斷成熟，會(huì)逐步在公共交通、私家車、工程機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

與氫燃料電池相比，氫內(nèi)燃機(jī)在氫氣純度和運(yùn)營成本方面具有優(yōu)勢(shì)，具體對(duì)比如表4所示。目前，氫燃料電池技術(shù)較為成熟，已經(jīng)開始商業(yè)化推廣應(yīng)用。未來隨著氫價(jià)格進(jìn)一步下降，可與氫內(nèi)燃機(jī)共同助力“雙碳”戰(zhàn)略達(dá)成。

2.2氨內(nèi)燃機(jī)

早在1822年，世界上第一臺(tái)氨內(nèi)燃機(jī)就被制造出來［6］，它被用于驅(qū)動(dòng)機(jī)車前進(jìn)，為后續(xù)的氨內(nèi)燃機(jī)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在二戰(zhàn)期間，由于石油供應(yīng)短缺，氨內(nèi)燃機(jī)得到了工業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用，這期間誕生氨燃料皮卡車、公共汽車等交通工具［17-18］。近年來，受國際油價(jià)和“雙碳”政策影響，以氨替代化石燃料的呼聲越來越高，多家汽車公司開始布局氨內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)與研發(fā)工作。

因氨最小點(diǎn)火能量高、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，不易點(diǎn)燃，導(dǎo)致純氨內(nèi)燃機(jī)研究并不順利［19］。目前，主要采用其他燃料引燃方式，比如氫、汽油、柴油等，形成氨氫內(nèi)燃機(jī)、氨汽內(nèi)燃機(jī)、氨柴內(nèi)燃機(jī)等。2023年2月12日，大連理工大學(xué)開發(fā)出世界首臺(tái)氨柴雙直噴二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)，該樣機(jī)采用射流引燃直噴氨燃燒技術(shù)，熱效率可達(dá)45%，氨燃料替代率達(dá)80%以上，同時(shí)具有極低的氮氧化物和未燃氨排放。2023年4月10日，東風(fēng)汽車公司在第七屆科技周上推出了以氨氣為燃料的氨柴、氨氫重型發(fā)動(dòng)機(jī)，氨柴發(fā)動(dòng)機(jī)采用柴油噴霧引燃氨的雙燃料模式，將50%的氨燃料應(yīng)用于現(xiàn)有柴油機(jī)，可實(shí)現(xiàn)降碳50%的效果；氨氫發(fā)動(dòng)機(jī)以氫發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，集成進(jìn)氣道安全噴射系統(tǒng)，氫單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)氨氫混合燃燒，拓展了零碳燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍［20］。氨汽發(fā)動(dòng)機(jī)則采用進(jìn)氣道噴射氨氣、缸內(nèi)直噴汽油的方式，實(shí)現(xiàn)氨汽發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。同時(shí)，氨具有優(yōu)異的抗爆性，與“汽油類”燃料摻混，可以在高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)“爆而不震”的燃燒新模態(tài)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

目前，氨燃料內(nèi)燃機(jī)通常需要依賴5%～15%能量比的柴油引燃才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這意味著碳排放問題并未得到根本性解決［21］。未來氨燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)路徑探索可從燃料控制策略、新型燃燒模式、燃料噴射策略三方面入手（見圖4），以期在中、大功率發(fā)動(dòng)機(jī)上取得適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性最大化。根據(jù)目前的情況來看，氨氫內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)零碳排放希望較大，可以作為未來新能源汽車發(fā)展方向。

2.3甲醇內(nèi)燃機(jī)

甲醇儲(chǔ)、運(yùn)、用技術(shù)成熟，安全高效，不僅成本低，而且還能依托傳統(tǒng)油氣供應(yīng)鏈和零售終端基礎(chǔ)設(shè)施。2023年是國家開展甲醇汽車試點(diǎn)運(yùn)營項(xiàng)目的第12年，自2012年起，在工信部等部門部署下，在國內(nèi)各個(gè)城市開展了甲醇汽車試點(diǎn)工作。到目前為止，甲醇汽車市場(chǎng)逐漸成型，保有量約3萬輛，總運(yùn)行里程接近150億km。

甲醇燃料既可應(yīng)用于點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)，又可應(yīng)用于壓燃式內(nèi)燃機(jī)。點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給方式可采用進(jìn)氣道噴射、缸內(nèi)直噴等。甲醇50%的含氧量增加了混合氣中的含氧量，使燃燒更加充分，降低CO和HC排放，NOx排放率與汽油基本一致［22-23］。目前，點(diǎn)燃式甲醇內(nèi)燃機(jī)面臨冷起動(dòng)性能差的問題，解決的辦法是在甲醇中添加其他易燃烴類燃料進(jìn)行點(diǎn)火系統(tǒng)優(yōu)化，或采用進(jìn)氣預(yù)熱和燃料預(yù)熱等技術(shù)改善冷起動(dòng)問題。

壓燃式甲醇內(nèi)燃機(jī)可選擇甲醇直接壓燃技術(shù)和甲醇-柴油二元燃燒技術(shù)。甲醇直接壓燃技術(shù)通過進(jìn)氣加熱來提高缸內(nèi)溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)甲醇的壓燃。與柴油直接壓燃相比，甲醇?jí)喝嫉呐欧艓缀鯙?，可避免甲醛的產(chǎn)生，CO和NOx排放與柴油相當(dāng)［24］。甲醇直接壓燃技術(shù)存在穩(wěn)定性差的問題，特別是在起動(dòng)、怠速以及小負(fù)荷工作時(shí)，可在甲醇中加入十六烷值改進(jìn)劑改善其壓燃性能［25］。采用甲醇-柴油二元燃燒技術(shù)可解決穩(wěn)定性問題，但需要在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝兩套燃料供給和控制系統(tǒng)，分別在進(jìn)氣道噴射甲醇，在缸內(nèi)噴射柴油，利用柴油引燃甲醇混合氣，實(shí)現(xiàn)甲醇-柴油的組合燃燒［26］。該技術(shù)在有效控制NOx的同時(shí)大幅度降低炭煙排放［27］。但是，該技術(shù)要求甲醇燃料比例不能過高，過高會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能變差，CO和HC排放增加［28］。未來如何進(jìn)一步提高甲醇燃料占比是甲醇-柴油二元燃燒技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)［29］。

2.4乙醇內(nèi)燃機(jī)

乙醇可采用玉米、甘蔗、甜菜等作為原料，是一種可再生能源。將乙醇作為燃料，可以有效降低人類對(duì)化石能源的依賴。純乙醇內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用并不理想，主要因乙醇對(duì)部分金屬以及橡膠具有腐蝕性，而且乙醇燃燒不充分會(huì)產(chǎn)生甲醛、乙醛、乙酸等物質(zhì)。因乙醇辛烷值、汽化溫度高，如將其作為添加劑，加入到其他燃料中，高辛烷值可以降低爆震風(fēng)險(xiǎn)，高汽化溫度可以降低缸內(nèi)溫度，避免產(chǎn)生過多NOx氣體。如在汽油中添加10%的乙醇，形成乙醇汽油，可以降低約20%的CO和16%的HC排放，但乙醇熱值比汽油低，會(huì)導(dǎo)致燃油消耗增加5%，此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、冷起動(dòng)性能有所下降。美國里卡多公司曾在2010年推出了一款乙醇-汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，采用15%汽油與85%乙醇作為燃料，采用缸內(nèi)直噴技術(shù)，同時(shí)匹配了渦輪增壓器，在皮卡車上進(jìn)行了應(yīng)用［30］。美國ClearFlame Engine Technologies公司于2022年底推出了一款100%乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在康明斯X15 15 L重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，通過技術(shù)轉(zhuǎn)化可使用E98乙醇來運(yùn)行，可降低45%的CO2排放量。

目前，美國、巴西等國家農(nóng)作物種植面積大、土地肥沃，玉米、甘蔗產(chǎn)量過剩，用于制備乙醇恰好得以消耗，因此乙醇燃料在當(dāng)?shù)氐靡酝茝V使用。國內(nèi)因?yàn)榧Z食安全等問題，乙醇燃料的推廣應(yīng)用在2020年底被國家叫停，再開展乙醇內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用研究，組織乙醇的保障供給，既沒有基礎(chǔ)條件，也沒有市場(chǎng)需求。

2.5天然氣內(nèi)燃機(jī)

天然氣作為地球上最干凈的化石能源，其主要成分是甲烷，相同能量下比汽油少排放30%的CO2。我國從1989年開始推廣天然氣汽車，在2013年成為全球第一大天然氣汽車生產(chǎn)國。在2019年國內(nèi)天然氣汽車保有量突破700萬輛后，受電動(dòng)汽車崛起影響，天然氣汽車逐漸走向衰落，但天然氣重型卡車進(jìn)一步發(fā)展壯大。

目前，天然氣內(nèi)燃機(jī)主要分為壓燃式和點(diǎn)燃式兩條技術(shù)發(fā)展路線。其中，點(diǎn)燃式技術(shù)路線應(yīng)用最為廣泛，因其只需在傳統(tǒng)汽油機(jī)基礎(chǔ)上稍加改裝即可。在熱效率方面，點(diǎn)燃式天然氣內(nèi)燃機(jī)比汽油機(jī)高5%［31-33］，因天然氣密度較低，在工作時(shí)功率弱于汽油機(jī)［34］。想要進(jìn)一步提高天然氣內(nèi)燃機(jī)熱效率，可從進(jìn)氣流量、湍流方向和強(qiáng)度控制著手［35-36］。此外，也可采用缸內(nèi)直噴的進(jìn)氣方式來解決進(jìn)氣道噴射體積效率低的問題。相比于進(jìn)氣道噴射天然氣，缸內(nèi)直噴天然氣內(nèi)燃機(jī)總功率提高8%，最大扭矩提升5%；相比于汽油機(jī)，總功率下降4%，最大扭矩降低2%［37］。

相比點(diǎn)燃式天然氣內(nèi)燃機(jī)，壓燃式天然氣內(nèi)燃機(jī)可擁有更大的壓縮比，對(duì)于提高熱效率和改善排放十分有利［38］。因天然氣自燃溫度高，難以被壓燃，通常采取先導(dǎo)引燃方式或混合均質(zhì)壓燃方式。前者需要先導(dǎo)燃料進(jìn)行引燃，常采用高十六烷值的柴油等燃料；對(duì)于后者，由于缸內(nèi)燃料混合均勻，在壓燃后燃料在缸內(nèi)整體燃燒，無明顯火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象，燃燒更充分，溫度更均勻，但是也存在混合氣制備難、燃燒相位控制難、燃燒運(yùn)行工況范圍有限等問題。目前，通過調(diào)整壓縮比、進(jìn)氣加熱、高溫EGR等方法來解決上述問題［39-41］。

2.6不同燃料內(nèi)燃機(jī)性能分析

表5對(duì)比了各類型內(nèi)燃機(jī)的碳排放量、使用經(jīng)濟(jì)性等信息。從降碳效果方面來看，氫和氨燃料效果最好，可做到零碳排放，其次是甲醇和乙醇，降碳比例達(dá)到40%以上，最后是天然氣，大約可降低25%的CO2排放。從經(jīng)濟(jì)性角度看，氨燃料每公里使用費(fèi)用最低，其次是天然氣、氫、甲醇，最高的是乙醇。乙醇燃料汽車使用費(fèi)用高的原因是乙醇熱值低，相同工況下，乙醇內(nèi)燃機(jī)比汽油機(jī)需要燃燒更多燃料；其次，國內(nèi)乙醇燃料價(jià)格偏高，進(jìn)一步促使了乙醇汽車使用費(fèi)用居高不下。

綜上所述，從經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性方面考慮，氨內(nèi)燃機(jī)目前可作為零碳內(nèi)燃機(jī)的首選，氫內(nèi)燃機(jī)可作為備選。未來隨著綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大，氫內(nèi)燃機(jī)有望成為零碳內(nèi)燃機(jī)的主要載體，與氨內(nèi)燃機(jī)共同助力“雙碳”目標(biāo)達(dá)成。

3零碳及低碳燃料內(nèi)燃機(jī)面臨的問題

在全球減碳降碳大背景下，零碳及低碳燃料內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用前景廣闊，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”主要方式，但當(dāng)下零碳及低碳內(nèi)燃機(jī)面臨諸多技術(shù)難題需要攻克。

3.1氫內(nèi)燃機(jī)

1） 易發(fā)生氫脆現(xiàn)象。對(duì)于鐵、鈷、鎳、鈦及合金，吸收氫原子后會(huì)導(dǎo)致其延展性降低，從而發(fā)生開裂、斷裂等現(xiàn)象。這種現(xiàn)象發(fā)生在內(nèi)燃機(jī)中會(huì)導(dǎo)致其壽命嚴(yán)重縮短。未來需要對(duì)涉及氫脆的關(guān)鍵部件進(jìn)行重新開發(fā)設(shè)計(jì)，避免或降低氫脆帶來的影響。

2） 存在爆燃、早燃、回火等技術(shù)難題。氫燃燒速度非?？?，導(dǎo)致氫內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，大大降低內(nèi)燃機(jī)可靠性。要解決上述難題，可以嘗試從降低點(diǎn)火提前角、提高進(jìn)氣溫度、調(diào)整混合氣濃度以及壓縮比等角度入手。

3） 缺乏合適的潤滑系統(tǒng)。傳統(tǒng)燃油內(nèi)燃機(jī)采用機(jī)油潤滑，但應(yīng)用在氫內(nèi)燃機(jī)上會(huì)產(chǎn)生一系列問題。由于氫在缸內(nèi)燃燒后生成水，水會(huì)導(dǎo)致機(jī)油乳化；汽油、柴油內(nèi)燃機(jī)采用缸內(nèi)直噴技術(shù)，它們本身都自帶潤滑作用，但是氫燃料不具有潤滑效果，容易造成活塞與缸壁之間產(chǎn)生干摩擦，從而劃傷缸壁。目前，迫切需要一種特質(zhì)潤滑劑來改變這種局面。

3.2氨內(nèi)燃機(jī)

1） 純氨不易點(diǎn)燃。氨的最小點(diǎn)火能量是汽油的57倍［42］，現(xiàn)有火花塞產(chǎn)品無法滿足其點(diǎn)火要求。因此需要采用高能點(diǎn)火裝置進(jìn)行點(diǎn)火或者采用更大壓縮比實(shí)現(xiàn)其自燃，但大壓縮比意味著內(nèi)燃機(jī)整體尺寸更大，難以適應(yīng)小空間大功率內(nèi)燃機(jī)。此外，采用其他燃料引燃氨是可行的技術(shù)路線，如摻氫可明顯改善其燃燒特性。

2） 氨燃料具有毒性與腐蝕性。與傳統(tǒng)化石燃料不同，氨具有毒性且散發(fā)刺激性氣味。若燃燒不充分或者泄漏會(huì)污染環(huán)境，與人體接觸會(huì)損傷眼睛和呼吸系統(tǒng)。氨有腐蝕性，與其接觸的金屬、橡膠零件需要考慮防腐蝕問題，這在一定程度上增加了生產(chǎn)成本。因此，氨燃料應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)時(shí)，需要更換包含銅、鋅合金的部分零件與橡膠密封件。

3） NOx排放較高。在未來的發(fā)展中，氨燃料可與氫、醚等燃料混合燃燒來降低NOx濃度。氨燃料應(yīng)用于點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)時(shí)，還可以采用組合策略對(duì)噴射正時(shí)、多次噴射、燃燒模式進(jìn)行優(yōu)化，在提高熱效率的同時(shí)減少NOx排放。

3.3醇類內(nèi)燃機(jī)

1） 冷起動(dòng)性能差。相較于汽油，醇類物質(zhì)的汽化溫度高，需要更多熱量才能將其完全汽化。冬季溫度低，醇類汽化速度慢，未汽化的醇類蒸汽冷凝形成液體，堵塞燃料供給系統(tǒng)，導(dǎo)致無法起動(dòng)等問題?？煽紤]在醇類物質(zhì)中添加助燃劑進(jìn)行點(diǎn)火系統(tǒng)優(yōu)化，也可采用進(jìn)氣預(yù)熱和燃料預(yù)熱等技術(shù)改善點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)性能。

2） 關(guān)鍵部件需要防腐蝕。醇類物質(zhì)化學(xué)活性較強(qiáng)，如甲醇能腐蝕鋁、錳、塑料、合成橡膠等，所有與其接觸的關(guān)鍵部件都需要考慮防腐蝕。此外，醇類物質(zhì)吸水性極強(qiáng)，在儲(chǔ)存與運(yùn)輸過程中會(huì)吸收少量水分，增加其腐蝕性；醇類燃料不完全燃燒還會(huì)產(chǎn)生少量醛、酸等腐蝕性物質(zhì)，進(jìn)一步加劇缸體等部件腐蝕。

3） 潤滑油提前酸化。一般醇類物質(zhì)具有氧化性，可引發(fā)潤滑油的氧化反應(yīng)。當(dāng)潤滑油與醇類接觸，并在高溫高壓環(huán)境下暴露時(shí)，潤滑油中的添加劑會(huì)被氧化，形成酸性物質(zhì)。這些酸性物質(zhì)會(huì)破壞潤滑油的酸堿平衡，導(dǎo)致潤滑性能減弱，加速內(nèi)燃機(jī)零部件的磨損，甚至對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生更嚴(yán)重的損害。

3.4天然氣內(nèi)燃機(jī)

1） 缺乏精準(zhǔn)電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的“神經(jīng)中樞”，精準(zhǔn)級(jí)別直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)劣。它主要由電控單元、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。研發(fā)先進(jìn)的電控系統(tǒng)來精準(zhǔn)控制燃料供給、點(diǎn)火定時(shí)等，是實(shí)現(xiàn)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)高效率、低排放的核心。

2） 易腐蝕及磨損零件。采用天然氣作為燃料，氣缸、氣門、活塞環(huán)等部件磨損嚴(yán)重，相比汽油機(jī)壽命縮短30%～50%。主要原因是天然氣中含有微量硫化物，導(dǎo)致氣缸、氣缸壁腐蝕與磨損，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降，壽命縮短。

4結(jié)論

a） 氫燃料有著良好的燃燒特性，能以多種方式應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)中，是未來“碳達(dá)峰，碳中和”的重要載體；

b） 氨燃燒特性稍差，并存在毒性和安全性問題，未來需要逐步突破上述問題；通過摻氫可以明顯改善其燃燒，推動(dòng)氨在內(nèi)燃機(jī)上進(jìn)一步應(yīng)用；

c） 醇類燃料具有較好的燃燒和排放特性，可單獨(dú)或摻氫使用，只有采用綠色途徑制備的醇類才具有碳中和意義；

d） 天然氣作為最清潔的化石能源，在減碳降碳過程中，作為高碳燃料的替代，具有重要應(yīng)用意義。

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LI Xincheng，WAN Junjie，LV Liang，ZHONG Jifeng，LI Shouzhe

（Yantai Jereh Petroleum Equipment & Technology Co.，Ltd.，Yantai264003，China）

Abstract： With the goal of carbon peak and carbon neutral steadily advancing， the global carbon emission standards for internal combustion engines are becoming more and more stringent， and how to break through the problem of high carbon emissions caused by the conventional fossil fuels is particularly important for the future development of transportation. At present， the use of zero-carbon and low-carbon fuels such as hydrogen， ammonia and methanol is a good choice to replace traditional fossil fuels， and global companies are competing to develop zero-carbon and low-carbon internal combustion engines in order to occupy a place in the field. In order to promote the rapid development of zero-carbon and low-carbon internal combustion engines， the physical and chemical characteristics of hydrogen， ammonia， methanol， ethanol and natural gas are introduced， and the latest application progress of these fuels in internal combustion engines are analyzed， and corresponding suggestions are given for their future development.

Key? words： internal combustion engine；zero-carbon fuel；low-carbon fuel；mixed fuel；carbon neutral；emission

［編輯： 潘麗麗］