氨燃料在内燃机的应用技术浅析

氨燃料在内燃机的应用技术浅析

太史亮

大连中车柴油机有限公司总装车间     辽宁大连       116045

摘要：氨是一种重要的贮氢物质，其单位热值高，便于储存和运输，价格低廉，在充分燃烧时不会造成温室效应，是一种很好的内燃机清洁燃料。所以，氨作为燃料，无论是用于船舶还是汽车的发动机中，都具有巨大的发展潜力。

关键词：氨燃料；内燃机；氨发动机

当前，全球都正面对着严重的能源危机与环境污染问题，这是一件事关当前与未来发展的重要问题。由于我国石化能源高度依赖进口，所以面临着严峻的能源危机，如何在保障能源供应的前提下减少二氧化碳的排放，是一个迫切需要解决的问题。因此，开发高效燃烧替代现有燃料和燃烧技术，实现可再生的低碳新能源的高效使用，这对于提高能源利用率和节能减排水平具有重要的现实意义。氨作为一种能够替代汽油、柴油等化石燃料的潜在燃料，是缓解当前危机的一种新途径。

1.氨燃料的特性

氨在室温下有强烈的刺激性气味，无色，腐蚀性强，冷却后会变为液态。氨作为一种优良的贮氢物质，具有较高的体积能量密度。氨是一种清洁能源，在完全燃料时仅生成氮气和水。氨是一种非常重要的化工材料，其工业化生产已经有上百年的时间了，其主要是由哈伯博世法制作而成，主要成分是氢和氮，对环境没有任何影响，在将来有望实现无二氧化碳排放的环保氨。氨一般通过加压或冷却的方式进行贮存和输送，但是这两种存储模式对贮存和输送的费用有很大的要求，相比之下，在保证氨体积密度的同时，储存罐成本往往会更低。另外，由于氨具有很强的层流燃烧速度和点火能量，因此，在使用过程中往往要掺入其他燃料，将其他燃料当作引燃剂。

2.氨喷射技术

氨燃料在内燃机的应用大致可以划分为两种，即从入口注入的 PFI和直接注入的直接注入。与 DI不同的是， PFI的喷油系统不需要像 DI那样承担很高的工作压力，因此，其比较简单和成熟，但是也面临着燃料不能充分燃烧、燃料浪费和有毒气体的比较大等问题。DI发动机的优点是燃料消耗量小，升功高。在前期研究中，由于对 SI型发动机的适应性等因素的影响，对进气道注入的研究较多。目前，氨直喷是一种快速发展且逐渐替代传统的空气喷嘴注入方法，但目前尚未将其视为一个单独参数进行研究，所以需要大量的试验数据资料对其进行佐证支持。

3.氨燃料的燃烧

3.1纯氨燃料发动机

对于纯氨燃料发动机的研究已经有数十年的历史，有一点可以肯定的是，要在一种燃料中采用纯氨是一项巨大的挑战。研究结果显示，当转速为2000 rpm时，单纯的氨不能点燃或保证其平稳运转，而且在稀薄环境下，要实现平稳地燃烧则更为困难。在火花点火模式下，因氨具有很高的燃点，所以通常要采用增大压缩比或增加氧含量的方法来点火，但前者会导致燃油的耗油率增加和部件的损坏，后者则对氧含量的需求更高，同时NO2等污染物的排放也会随之增多，所以必然会带有一定的负面影响。

3.2混合氨燃料发动机

氨是一种极具发展前景的新型清洁能源，但目前由于纯氨燃料发动机很难实现，所以主要将研究集中在氨的混合燃料系统上，并取得了一些研究成果。氨混合燃料系统主要有氨－氢、氨-甲烷、氨-汽油、氨-柴油、氨-氢-甲烷等。对氨的混合燃料系统进行实验和使用，可以在不改变现行发动机结构的前提下进行。图1总结了相应的双燃料发动机的压缩比，从中可以看到，氨气和柴油被研究得最多，其次是氢气，因为前者一般都是用于 CI发动机，所以压缩比一般都比较高，压缩率集中在15%—19%之间，而后者则是用于 SI发动机，其压缩率集合中的7%—10%。由此也可以看到，最近几年关于氨双燃料发动机的研究频次在不断增加。

图1 双燃料发动机压缩比

4.氨内燃机的应用

当前，国内外都在对氨能源和氨气等能源设备进行研究，并将其用于船舶、汽车、火箭等交通工具，以欧洲和日本最为明显。2022年1月，江苏招商与挪威礼诺海运有限公司签订了“4+4+4+4”型多燃油氨水集装箱船舶制造合约，该批 Aurora级汽车运输船将是世界首批零碳排放汽车运输船，也是目前全球最大最环保的汽车运输船。今年三月，中国第一艘以氨气为能源的7000座车用货运船（PCTC），在中国造船上海造船所的指导下，于今年三月通过了 DNV的认证。本项目研究成果可作为新一代“零碳”船舶的代表，具有重要意义。在汽车领域，今年3月份，由大连科技大学龙武强院士成功开发了世界上首个氨-柴油双喷射二行程发动机的原理原型。同年，东风与清华大学合作研制出了世界上首台采用柴油机的重型氨水内燃机，并进行了初步的试车，结果表明该柴油机具有良好的燃烧特性和良好的排气特性。国外对氨气发动机的研究，主要集中在蒸汽机车领域，氨燃烧技术已经有了一定的发展。2018年， Ezzat ，Dincer 等人等从热力学的观点出发，研究了氢-氨热机集成系统对发动机功率及扭矩的影响，得到最大速度、最大发动机功率及相应灯的使用，从 TEG系统获取并供给到 AEC设备的电力足够为 ICE供应所需要的氢气，从而实现合适的燃烧特征及发动机的性能。2022年3月，挪威船舶设计公司宣称，其将以氨气为能源的邮轮来进行挪威的绿色运输项目计划。芬兰的船用发动机制造商瓦锡兰，挪威海船厂和挪威能源公司，目前都在合作开发一种可以进行长距离行驶的、以氨为动力的无污染的巨型船只。包括曼恩和瓦锡兰在内的一些公司都参加以氨为动力的船用发动机研究，计划于2024年前后发布氨燃料发动机。与此同时，以曼恩为首的丹麦科技大学和挪威船级社等机构，也在进行着一项针对双冲程氨燃料发动机的研究。

结束语：

综上所述，氨作为一种清洁能源，将其作为燃料应用于发动机中，可以有效降低碳排放，对于保护生态环境有着重要意义，目前双冲程氨燃料的研究正在逐步推进，本文通过论述对氨燃料实现深入了解，希望其能够在汽车船舶等领域中实现应用。

参考文献

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[3]余浩,谭建勋,张志强,等.面向碳达峰碳中和的内燃机技术概述[J].内燃机与配件, 2022(06):216-217.