氢氨清洁无污染无碳燃料在发动机上的应用分析

郭朋彦，刘子川，邵方阁，申方，陈磊

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）



氢氨清洁无污染无碳燃料在发动机上的应用分析

郭朋彦，刘子川，邵方阁，申方，陈磊

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

摘 要：分析了氢的理化性质和氢燃料发动机的优缺点。基于氢燃料的清洁无污染无碳特性，结合日常生活中人们可以接受的无碳无污染物质分析出新型清洁无污染无碳燃料——氨；进一步研究了氨的理化性质与氨燃料发动机的优缺点，结果表明：氨作为发动机燃料优势十分明显，但也有缺点，在此基础上，指明了氨燃料发动机今后的研究趋势主要集中在混合燃料掺烧、NOx处理等方面。

关键词：氢气；氨气；清洁无污染燃料；发动机；应用分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.028

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

前言

在世界范围内，因CO2过量排放而导致的全球气候变暖、海平面升高等是阻碍各国发展的主要问题。我国是目前世界上最大的碳排放国，2013年碳排放量占全球总量的27.7%，大于美国（14.4%）和欧盟（9.6%）的总和，人均碳排放首次超过欧盟，比全球平均水平高45%，减排任务艰巨，我国从2017年开始将在全国范围内推行碳排放交易系统。同时，随着环境污染与能源短缺的加剧，寻找新的清洁无污染无碳新型能源越来越受到关注。

氢是被广泛研究的清洁无碳可再生燃料，被认为是最理想的未来车用能源。氢气热值比较高，且完全燃烧只生成水，而这些水很容易分解为氢气和氧气，可以实现循环利用[1-2]。作为发动机燃料时，也没有 CO2、CO、HC、PM，仅在高负荷下会产生 NOx，是较理想的“绿色”燃料[3]。但氢气因难于液化而导致存储、运输困难，氢气的推广应用需要投入巨额资金来大规模建设氢加气站；氢气因点火能量低、燃烧速度快而带来早燃、回火等，这些问题至今没有得到较好的解决，且氢气的能量密度低，这些都制约了氢作为清洁无污染无碳燃料在车用发动机上的应用[4]。

氢气存在的这些技术难题，经数十年的发展，仍未得到较好解决，导致氢大规模应用在汽车等小型运输工具的目标，一时还难以实现。所以，有人把氢仍然视为“未来的燃料”[5]。因此，基于氢发动机的特点，分析并筛选出新型车用清洁无污染无碳燃料，就成为车辆和发动机行业研究、从业人员必须完成的历史使命。本文基于氢气的理化性质和氢燃料发动机的优缺点，分析出氨可能成为新型清洁无污染无碳燃料，并在此基础上，研究了氨的理化性质、氨燃料发动机的优缺点及未来发展趋势。

1、氢燃料的理化性质及在发动机上的应用

1.1 氢燃料的理化性质

氢气、汽油、天然气、氨气的理化性质如表1所示，由表可知：

（1）氢气的最小点火能量很低，是汽油的8%，这就意味着氢气作为发动机燃料时更容易点燃，且其层流燃烧速度很高，能使发动机更快的达到缸内温度和压力峰值。但这也导致了氢在发动机内燃烧时会发生早燃和回火现象，不利于发动机稳定性的控制。

（2）氢气的可燃范围很广，浓度范围从4%~75%都能燃烧，因此氢的稀燃能力很强。

（3）氢的扩散能力强，比汽油大得多，有利于产生均质混合气，且即使发生泄漏，氢气可很快扩散，减少了不安全因素。

（4）氢气的单位质量低热值高，约为汽油的2.7倍，因此氢发动机的有效热效率比较高，燃油消耗率低。

（5）零排放，氢燃料的燃烧产物主要是水，仅含少量NOx，是清洁无污染无碳能源，环境危害很小。

表1　氢气、汽油、天然气、氨气的理化性质[5]

1.2 氢燃料在发动机上的应用及优缺点

通过氢的理化性质分析，发现氢作为发动机燃料有许多优点，如着火界限宽、热效率高、低排放、经济性好、来源广泛等。所以，很多人认为，发展氢发动机是未来一段时间内的最好选择。

氢作为发动机燃料的研究始于20世纪初，国内外许多工作者一直致力于氢发动机的研究，并取得了丰硕的成果。H.Rottengruber[6]在一台配备有外部和内部混合气形成系统的单缸试验发动机研究DI-PFI联合运行的潜力和不同喷射压力的效果，结果表明：直接喷射时，可以用理想配比混合气高负荷运行，发动机的最大功率输出相对常规汽油机提高20%，指示热效率提高33%，在低负荷时用外部形成混合气稀燃运行，指示燃料效率可达40%以上。S.J.LEE[7]通过试验研究了进气管喷射点燃式氢发动机的燃烧特性，对比了1500rpm、 WOT、MBT、空燃比为1的条件下氢发动机和汽油机的性能，研究空燃比和点火时刻对氢发动机的影响及发动机在高负荷下的回火现象。

国内浙江大学杨振中等人[8]试验研究表明，点火提前角对进气歧管喷射式氢燃料发动机动力性、经济性和排放性能有较大的影响，并建立模糊神经网络控制系统对点火提前角进行优化控制。上海交通大学马捷等人[9]借助数学模型和数字仿真，对燃氢发动机的稳态特性和动态特性进行分析研究，对比燃氢发动机与汽油机性能，结果表明，氢发动机表现出卓越的稳态性能。

通过对氢发动机在国内外的研究可以发现，氢发动机的发展方向主要是采用诸如临近气缸供氢、改造燃烧室、复合进气、稀薄燃烧、电控缸内高压直喷、进气管喷水降低进气温度、催化后处理等各种技术来解决其存在的早燃、回火、输出功率低、NOx排放高等问题。氢气与汽油、天然气等燃料的掺烧也是一种很重要的发展趋势，这样可有效减少氢燃料发动机汽车对“加氢站”的依赖。

尽管氢气作为发动机燃料具有诸多优点，但是也有一些当前难以克服的问题。首先是氢的存储问题。目前氢的存储有3种方法：1）金属氢化物储氢，但氢气压力太低，难以直接进入气缸；2）高压储氢，但氢存储量有限；3）液氢存储，储氢量最大，价格昂贵，蒸发泄露控制困难。其次是来源问题，亟需寻找廉价、高效的制氢技术；再次是氢的异常燃烧问题。氢发动机异常燃烧可导致爆震、早燃和进气管回火，过高的缸内压力升高率导致爆震，爆震产生的缸内炽热点导致早燃，持续早燃导致回火[10]。最后一点是氢燃料的普及问题，氢燃料的普及必须建立在氢补给站等设施完善的基础上，但根据美国阿贡国家实验室的研究报告我们可以看出，利用现存的或者相近的商业技术来建造氢生产基础设施的成本将高达6000多亿美元，这对车企和当地政府来说是一笔不小的开支，导致氢燃料普及问题一时难以解决。因此，氢能的大规模应用面临挑战，我们不得不将目光转向其他新型清洁无碳能源，以应对越来越严格的碳排放标准和全球性环保与能源问题。

2、新型清洁无污染无碳车用燃料分析及筛选

清洁能源是指不排放污染物的可再生能源，即绿色能源。基于氢燃料的清洁无污染无碳特性，我们结合日常生活中人们可以接受的无碳无污染物质（主要有H2O、N2、O2等）来分析新型清洁无污染无碳燃料。从这些日常生活中可以接受的无碳无污染物质中，我们可以组合出的燃料有H2、N2H4、N2、NOx、NH3等物质，由上文可知，H2燃料因种种技术瓶颈，短期难于在车用发动机上获得广泛应用。N2H4（肼类燃料）具有较强的毒性和腐蚀性，目前仅限于作为喷气式发动机燃料和火箭燃料，不适合在车用发动机上推广应用。N2是一种惰性气体，在常温下，它不易与氧化合，只有当温度很高时才可与氧气化合成NOx，显然不适合用于发动机燃烧。NOx是一种污染气体，也不适合大规模用于发动机燃烧。NH3作为另外一种无碳无污染清洁能源，将其作为发动机燃料的可行性已经被国内外研究者所验证。

相比于氢，氨的最大优越性在于其能量密度大（同体积的能量，液氨是液氢的1.5倍）、易液化（常压下-33℃或常温下9个大气压均可使氨液化，而氢在常压下为-240℃）、易储运（普通液化钢瓶即可储运氨，而储运氢则需特殊材料和特殊设备），且在补给时，现有的加油站及加油油泵完全可以满足液氨的加注需求。与汽油相比，虽然氨的热值稍低，但其辛烷值远高于汽油，可通过增大压缩比来提高发动机的热效率，氨发动机的热效率可达到50%以上，是通常汽油发动机的两倍左右。由此可见，氨在将来可能成为替代化石燃料的首选。

3、氨燃料的理化性质及在发动机上的应用

3.1 氨燃料的理化性质

氨的理化性质如表1所示，由表可知：

（1）氨的辛烷值高达到130，与氢气、天然气辛烷值相当，当作为发动机燃料时可以达到很高的压缩比。

（2）自燃温度与最小点火能量高，这使得氨的运输、贮存和使用更加安全。

（3）氨的燃烧范围并不大，在空气中可燃极限体积分数为16.1%~25%，不利于在稀薄条件下燃烧。

（4）氨的火焰传播速度小，这使得其在发动机内燃烧时所需时间较长，不利于发动机性能的实现。

（5）零排放，氨中不含碳，燃烧之后没有CO2和HC，只需考虑NOx，也是一种无碳清洁燃料。

3.2 氨燃料在发动机上应用的优缺点

类似于氢，氨也可以作为清洁能源来代替化石燃料，其燃烧产物只有水、氮气和少量的氮氧化物。在过去的几十年中，国外许多研究者对应用氨作为替代燃料的可行性进行了系统研究，结果表明是可行的。事实上，氨的物化特性使它适合作为发动机的替代燃料。Liu R等人[11]在氨燃料SI发动机试验中发现，由于氨具有较高的辛烷值，与汽油相比，使用氨燃料可采用较大压缩比而获得更高的热效率。Kyunghyun Ryu等人[12]的试验结果表明，氨合适的喷射范围为上止点前320-370°CA，且在高负荷条件下氨燃料有较高的燃油经济性。相比于其它传统燃料，氨作为燃料不仅能达到较好的发动机性能，且无碳无污染，对环境的危害也较小；与氢相比，氨具有更好的可控性和可操作性。

由于氨本身含有氮，使得其在发动机内燃烧时会产生更多的NOx，因此，尾气的排放与处理将是一项非常重要的工作。Fredrik R等人[13]研究发现利用选择性催化还原（SCR）技术可以有效降低NOx排放。氨的自燃温度很高，且燃烧速度较慢，在作为发动机燃料时常常需要其他燃料引燃，提高燃烧速度，以保证发动机的工作性能[14]。与常用燃料相比，氨的毒性和腐蚀性尤为突出[15]。在毒性方面，现在已经有了防氨面具，此外，人们在氨的生产、储运和管理等方面已经积累了丰富的经验，有利于各种安全措施的完善和执行。在腐蚀性方面，根据Aaron J. Reiter等人[16]对氨燃料发动机进行了测试，结果发现发动机运转40小后时（这是一个合理测试时间），润滑液仍满足美国材料实验协会（ASTM）限制要求，所以，氨的腐蚀性对润滑油的影响很小。

由此可见，氨的上述缺点可通过采取相应的措施得到有效的解决，因此氨作为发动机燃料是可行的。

3.3 氨燃料在发动机上应用的发展趋势

关于氨在发动机中的应用，第一项研究是Macq在1941年所进行的[17]。20世纪六七十年代，美国汽车工程协会（SAE）曾发表了多篇有关氨燃料和氨发动机方面的学术文章。美国从2004年开始，每年举行一次“氨学术交流会议”（Ammonia Conference），其中2008年的会议主题是“氨—美国能源独立的关键”（Ammonia—the Key to US Energy Independence）[5]。虽然氨燃料发动机的研究起步较早且有很好的发展前景，但由于其一些显著缺点如火焰传播速度低等，导致氨不能直接用于常规发动机[18]。氨燃料研究发现，氨在常规发动机上的使用有两种方法，一是使部分氨裂解为氢气和氮气，裂解的氢气加速了燃烧进程，从而改善燃烧性能。如Westlye等人[19]在点燃式发动机上开展了氨/氢混合物试验，对排放进行了量化；二是将氨和一种能加速反应进程的燃料混合。Gross和Kong[20]在压燃式发动机上研究了氨-二甲醚混合物的燃烧和排放特性，Reiter和Kong[16]在压燃式发动机上研究了氨-柴油混合物的燃烧和排放特性。总之，在燃烧方面，氨发动机与其他助燃剂掺烧是未来发展的方向，尤其与氢作为助燃剂掺烧是未来研究的重点。

近年来相对于试验研究，大量的数值模拟也被用来预测氨的燃烧过程。因为NOx是氨燃烧后的唯一污染物，所以在过去开展的大多数研究中，一个主要的目标就是降低NOx排放浓度。一般来说，在氨火焰中，NOx生成的主要来源是燃料结合氮（称为燃料型NOx）而非大气氮热合成的NOx（称为热力型NOx）[21]。因此，结合化学反应动力学，合理了解氨燃烧的化学反应机理，并详细分析NOx形成路径来准确地预测氨燃烧的排放是未来研究的重要方向。

随着氨燃料发动机研究的逐渐深入和相关技术难题的解决，氨将作为车用替代能源获得广泛的应用，这对于严重能源危机与大气环境污染的我国真正可以做到“氨经济，安天下”！

4、总结

在温室效应、环境污染、能源危机越来越严重的今天，开发新型无碳无污染清洁能源来代替化石燃料必然成为未来的发展方向。氢因难于液化、易于发生异常燃烧、建氢气站需巨额投资等问题，一时很难在车用发动机上获得广泛应用。

本文分析了氢的理化性能和氢燃料发动机的优缺点。并基于氢燃料的清洁无污染无碳特性，结合日常生活中人们可以接受的无碳无污染物质分析出新型清洁无污染无碳燃料——氨；进一步研究了氨的理化性质与氨燃料发动机的优缺点，结果表明：氨具备便于储运、低污染、高辛烷值、储量丰富、价格便宜等优点，其作为发动机燃料优势十分明显；然而，氨也有自燃温度与最小点火能量高，火焰燃烧速度慢、NOx排放高等缺点。并在此基础上指明了氨燃料发动机今后的研究趋势主要集中在混合燃料掺烧、NOx处理等方面。

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中图分类号：TK46

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)04-81-04

作者简介：郭朋彦，副教授，就职于华北水利水电大学。

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