氫氨清潔無污染無碳燃料在發動機上的應用分析

郭朋彥，劉子川，邵方閣，申方，陳磊

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

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氫氨清潔無污染無碳燃料在發動機上的應用分析

郭朋彥，劉子川，邵方閣，申方，陳磊

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

摘 要：分析了氫的理化性質和氫燃料發動機的優缺點?；跉淙剂系那鍧崯o污染無碳特性，結合日常生活中人們可以接受的無碳無污染物質分析出新型清潔無污染無碳燃料——氨；進一步研究了氨的理化性質與氨燃料發動機的優缺點，結果表明：氨作為發動機燃料優勢十分明顯，但也有缺點，在此基礎上，指明了氨燃料發動機今后的研究趨勢主要集中在混合燃料摻燒、NOx處理等方面。

關鍵詞：氫氣；氨氣；清潔無污染燃料；發動機；應用分析

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，因CO2過量排放而導致的全球氣候變暖、海平面升高等是阻礙各國發展的主要問題。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%，減排任務艱巨，我國從2017年開始將在全國范圍內推行碳排放交易系統。同時，隨著環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注。

氫是被廣泛研究的清潔無碳可再生燃料，被認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，可以實現循環利用[1-2]。作為發動機燃料時，也沒有 CO2、CO、HC、PM，僅在高負荷下會產生 NOx，是較理想的“綠色”燃料[3]。但氫氣因難于液化而導致存儲、運輸困難，氫氣的推廣應用需要投入巨額資金來大規模建設氫加氣站；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動機上的應用[4]。

氫氣存在的這些技術難題，經數十年的發展，仍未得到較好解決，導致氫大規模應用在汽車等小型運輸工具的目標，一時還難以實現。所以，有人把氫仍然視為“未來的燃料”[5]。因此，基于氫發動機的特點，分析并篩選出新型車用清潔無污染無碳燃料，就成為車輛和發動機行業研究、從業人員必須完成的歷史使命。本文基于氫氣的理化性質和氫燃料發動機的優缺點，分析出氨可能成為新型清潔無污染無碳燃料，并在此基礎上，研究了氨的理化性質、氨燃料發動機的優缺點及未來發展趨勢。

1、氫燃料的理化性質及在發動機上的應用

1.1 氫燃料的理化性質

氫氣、汽油、天然氣、氨氣的理化性質如表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動機燃料時更容易點燃，且其層流燃燒速度很高，能使發動機更快的達到缸內溫度和壓力峰值。但這也導致了氫在發動機內燃燒時會發生早燃和回火現象，不利于發動機穩定性的控制。

（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。

（3）氫的擴散能力強，比汽油大得多，有利于產生均質混合氣，且即使發生泄漏，氫氣可很快擴散，減少了不安全因素。

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

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

表1　氫氣、汽油、天然氣、氨氣的理化性質[5]

1.2 氫燃料在發動機上的應用及優缺點

通過氫的理化性質分析，發現氫作為發動機燃料有許多優點，如著火界限寬、熱效率高、低排放、經濟性好、來源廣泛等。所以，很多人認為，發展氫發動機是未來一段時間內的最好選擇。

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

國內浙江大學楊振中等人[8]試驗研究表明，點火提前角對進氣歧管噴射式氫燃料發動機動力性、經濟性和排放性能有較大的影響，并建立模糊神經網絡控制系統對點火提前角進行優化控制。上海交通大學馬捷等人[9]借助數學模型和數字仿真，對燃氫發動機的穩態特性和動態特性進行分析研究，對比燃氫發動機與汽油機性能，結果表明，氫發動機表現出卓越的穩態性能。

通過對氫發動機在國內外的研究可以發現，氫發動機的發展方向主要是采用諸如臨近氣缸供氫、改造燃燒室、復合進氣、稀薄燃燒、電控缸內高壓直噴、進氣管噴水降低進氣溫度、催化后處理等各種技術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展趨勢，這樣可有效減少氫燃料發動機汽車對“加氫站”的依賴。

盡管氫氣作為發動機燃料具有諸多優點，但是也有一些當前難以克服的問題。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；再次是氫的異常燃燒問題。氫發動機異常燃燒可導致爆震、早燃和進氣管回火，過高的缸內壓力升高率導致爆震，爆震產生的缸內熾熱點導致早燃，持續早燃導致回火[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施完善的基礎上，但根據美國阿貢國家實驗室的研究報告我們可以看出，利用現存的或者相近的商業技術來建造氫生產基礎設施的成本將高達6000多億美元，這對車企和當地政府來說是一筆不小的開支，導致氫燃料普及問題一時難以解決。因此，氫能的大規模應用面臨挑戰，我們不得不將目光轉向其他新型清潔無碳能源，以應對越來越嚴格的碳排放標準和全球性環保與能源問題。

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，我們結合日常生活中人們可以接受的無碳無污染物質（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中，我們可以組合出的燃料有H2、N2H4、N2、NOx、NH3等物質，由上文可知，H2燃料因種種技術瓶頸，短期難于在車用發動機上獲得廣泛應用。N2H4（肼類燃料）具有較強的毒性和腐蝕性，目前僅限于作為噴氣式發動機燃料和火箭燃料，不適合在車用發動機上推廣應用。N2是一種惰性氣體，在常溫下，它不易與氧化合，只有當溫度很高時才可與氧氣化合成NOx，顯然不適合用于發動機燃燒。NOx是一種污染氣體，也不適合大規模用于發動機燃燒。NH3作為另外一種無碳無污染清潔能源，將其作為發動機燃料的可行性已經被國內外研究者所驗證。

相比于氫，氨的最大優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備），且在補給時，現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，但其辛烷值遠高于汽油，可通過增大壓縮比來提高發動機的熱效率，氨發動機的熱效率可達到50%以上，是通常汽油發動機的兩倍左右。由此可見，氨在將來可能成為替代化石燃料的首選。

3、氨燃料的理化性質及在發動機上的應用

3.1 氨燃料的理化性質

氨的理化性質如表1所示，由表可知：

（1）氨的辛烷值高達到130，與氫氣、天然氣辛烷值相當，當作為發動機燃料時可以達到很高的壓縮比。

（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數為16.1%~25%，不利于在稀薄條件下燃燒。

（4）氨的火焰傳播速度小，這使得其在發動機內燃燒時所需時間較長，不利于發動機性能的實現。

（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 氨燃料在發動機上應用的優缺點

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用氨作為替代燃料的可行性進行了系統研究，結果表明是可行的。事實上，氨的物化特性使它適合作為發動機的替代燃料。Liu R等人[11]在氨燃料SI發動機試驗中發現，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]的試驗結果表明，氨合適的噴射范圍為上止點前320-370°CA，且在高負荷條件下氨燃料有較高的燃油經濟性。相比于其它傳統燃料，氨作為燃料不僅能達到較好的發動機性能，且無碳無污染，對環境的危害也較??；與氫相比，氨具有更好的可控性和可操作性。

由于氨本身含有氮，使得其在發動機內燃燒時會產生更多的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]研究發現利用選擇性催化還原（SCR）技術可以有效降低NOx排放。氨的自燃溫度很高，且燃燒速度較慢，在作為發動機燃料時常常需要其他燃料引燃，提高燃燒速度，以保證發動機的工作性能[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，現在已經有了防氨面具，此外，人們在氨的生產、儲運和管理等方面已經積累了豐富的經驗，有利于各種安全措施的完善和執行。在腐蝕性方面，根據Aaron J. Reiter等人[16]對氨燃料發動機進行了測試，結果發現發動機運轉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的措施得到有效的解決，因此氨作為發動機燃料是可行的。

3.3 氨燃料在發動機上應用的發展趨勢

關于氨在發動機中的應用，第一項研究是Macq在1941年所進行的[17]。20世紀六七十年代，美國汽車工程協會（SAE）曾發表了多篇有關氨燃料和氨發動機方面的學術文章。美國從2004年開始，每年舉行一次“氨學術交流會議”（Ammonia Conference），其中2008年的會議主題是“氨—美國能源獨立的關鍵”（Ammonia—the Key to US Energy Independence）[5]。雖然氨燃料發動機的研究起步較早且有很好的發展前景，但由于其一些顯著缺點如火焰傳播速度低等，導致氨不能直接用于常規發動機[18]。氨燃料研究發現，氨在常規發動機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程，從而改善燃燒性能。如Westlye等人[19]在點燃式發動機上開展了氨/氫混合物試驗，對排放進行了量化；二是將氨和一種能加速反應進程的燃料混合。Gross和Kong[20]在壓燃式發動機上研究了氨-二甲醚混合物的燃燒和排放特性，Reiter和Kong[16]在壓燃式發動機上研究了氨-柴油混合物的燃燒和排放特性?？傊?，在燃燒方面，氨發動機與其他助燃劑摻燒是未來發展的方向，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，大量的數值模擬也被用來預測氨的燃燒過程。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研究中，一個主要的目標就是降低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，結合化學反應動力學，合理了解氨燃燒的化學反應機理，并詳細分析NOx形成路徑來準確地預測氨燃燒的排放是未來研究的重要方向。

隨著氨燃料發動機研究的逐漸深入和相關技術難題的解決，氨將作為車用替代能源獲得廣泛的應用，這對于嚴重能源危機與大氣環境污染的我國真正可以做到“氨經濟，安天下”！

4、總結

在溫室效應、環境污染、能源危機越來越嚴重的今天，開發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展方向。氫因難于液化、易于發生異常燃燒、建氫氣站需巨額投資等問題，一時很難在車用發動機上獲得廣泛應用。

本文分析了氫的理化性能和氫燃料發動機的優缺點。并基于氫燃料的清潔無污染無碳特性，結合日常生活中人們可以接受的無碳無污染物質分析出新型清潔無污染無碳燃料——氨；進一步研究了氨的理化性質與氨燃料發動機的優缺點，結果表明：氨具備便于儲運、低污染、高辛烷值、儲量豐富、價格便宜等優點，其作為發動機燃料優勢十分明顯；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。并在此基礎上指明了氨燃料發動機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

文獻標識碼：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。

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