氨柴油双燃料在压燃发动机中应用的 techno-economic（技术经济）与 environmental（环境）分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Techno-economic and environmental analyses of the use of ammonia-diesel dual fuel in compression ignition engines

将单缸柴油发动机改为氨柴油双燃料，测试不同氨含量（0-20%）对热效率及CO、THC、NOx、烟雾排放的影响，并开展GWP排放值、碳税及经济熵分析，确定10%氨含量时GWP最低且经济性最优。

　　

作者：Yasin Karagoz, Saban Pusat, Erdal Tuncer, A. Emre Teksan

土耳其伊斯坦布尔Y?ld?z技术大学机械工程系

摘要

本研究将一台通常使用柴油燃料运行的单缸柴油发动机改装为氨柴油双燃料发动机。研究了不同氨燃料能量含量（0%、5%、10%、15%和20%）对热效率、CO、THC、NOx和烟雾排放的影响。随后进行了全球变暖潜力（GWP）排放值和税收计算。此外，还使用现值方法对将发动机改装为氨柴油双燃料发动机的经济性和能量分析进行了研究。最后，根据GWP排放值重新进行了经济性分析。结果表明，当氨燃料的能量含量为10%时，获得了最低的GWP排放值。

引言

如今，排放法规日益严格[1,2]。发动机制造商正在努力满足这些法规要求。众所周知，人们一直在为陆地和航空（尤其是船舶）的内燃机寻找替代燃料[[3], [4], [5]]。在这种情况下，使用了多种环保燃料，如甲醇和二甲醚，尤其是氨和氢[[6], [7], [8]]。在这些燃料中，氨因其无碳特性和高氢含量而脱颖而出[[9], [10], [11]]。因此，氨开始被用作各种车辆发动机（尤其是船舶）的燃料[[12], [13], [14]]。下面介绍了关于在发动机中使用氨燃料的各种研究。

在他们的研究中，Yang等人[15]使用NSGA-II/TOPSIS方法在高能量含量（10%至90%）下准确估计了点火延迟值，并模拟了真实的燃烧条件。

在他们的研究中，Hu等人[16]使用三维模型研究了氨燃料与柴油燃料混合燃烧的情况。他们的研究结果表明，单阶段柴油燃料喷射会导致指示热效率下降，而多阶段柴油燃料喷射可以提高指示热效率。

Huang等人[17]认为，在双燃料模式下使用引燃柴油喷射燃烧氨燃料时，应努力改善湍流火焰传播。将氢与氨混合可以提高稀燃极限和火焰传播。

Sun等人[18]指出，在氨/柴油双燃料发动机中，高EGR率有助于控制NOx排放，但也会导致指示热效率下降。然而，通过增加缸内压力可以防止这种下降。

在他们的研究中，Hu等人[19]研究了不同喷射角度下柴油和氨燃料喷射对燃烧效率和NOx排放的影响。他们的研究结果表明，通过优化喷射提前角可以减少NOx排放。

Shin等人[20]测试了直接氨喷射和直接柴油喷射的不同喷射提前角，并使用模型分析了它们对NOx排放的影响。他们的研究结果表明，适当的喷射技术可以控制NOx排放。

Ma等人[21]基于高压缩比、低速直喷发动机的数据进行了数值燃烧分析，结果表明所得NOx排放符合Tier 3法规限制。

Ismael等人[22]比较了柴油与预混氨-氧混合物的燃烧情况，得出结论：预混氨-氧混合物燃烧时CO?、CO和HC排放减少，但由于燃烧温度较高，NOx排放增加。

Zhou等人[23]进行了一项研究，其中在CI发动机中使用引燃柴油喷射点燃氨燃料。他们的结果显示，使用氨燃料在RCCI模式下运行更有优势，NOx排放减少了13.67%，IMEP增加了7.57%。

在他们的研究中，Chu等人[24]在双燃料模式下以不同比例混合氨燃料和柴油燃料，在压缩点火发动机中进行了测试，发现使用20%的氨能量含量时获得了最佳效果，ITE提高了44.2%，CO?排放减少了19%。

众所周知，柴油发动机在船舶上广泛使用柴油燃料。无法迅速用新发动机替换现有发动机。然而，通过对现有船舶柴油发动机进行少量改造，可以轻松将其改装为双燃料发动机。作为本研究的一部分，对在不同比例下使用低能量氨燃料的双模式柴油发动机的性能、排放、GWP、能量和经济性进行了分析。与文献中的许多研究不同，本研究通过工程经济学确定了排放的GWP值以及相应的碳税，并通过能量分析确定了最合适的氨用量。因此，全面研究了在现有柴油发动机中添加低能量氨的可能性。

研究部分摘录

材料

本研究使用了一台单缸、1.16升、四冲程的压缩耦合发动机。发动机规格列于表1中。该发动机连接了一个APICOM品牌的FR50型号涡流式测功机。测功机通过APICOM Merka和MP2030型号控制器根据发动机转速和扭矩使用适当的PID参数进行控制。同时，纯氨以气体形式通过高压缸注入发动机，从而降低其压力。

结果与讨论

本研究实验研究了不同氨燃料能量含量（0%、5%、10%、15%和20%）对热效率、HC、CO、CO?、NOx和烟雾排放的影响。随后分析了GWP潜力，并研究了针对这些排放应缴纳的税款。研究根据温室气体排放和碳税确定了最佳的NH3/柴油比例。尽管氨燃料的燃烧速率相对较低，但研究仍进行了...

结论

本研究将一台仅使用柴油燃料运行的单缸压缩点火发动机改装为氨柴油双燃料发动机。随后，实验研究了在0%、5%、10%、15%和20%不同氨能量含量下使用氨对热效率和排放的影响。还进行了能量利用率值、GWP排放值、碳税计算和经济性分析。研究结果总结如下：

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添加5%、10%、15%的氨...

作者贡献声明

Yasin Karagoz：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究。

Saban Pusat：监督，方法论。

Erdal Tuncer：研究。

利益冲突声明

以下通讯作者声明，所有作者与任何组织或实体均无财务利益关联（例如酬金、教育资助、演讲机构参与、会员资格、雇佣关系、咨询服务、股票持有或其他股权利益；以及专家证词或专利许可安排），也无非财务利益关联（例如个人或专业关系、隶属关系、知识或信念）。

致谢

作者感谢Erin Engine Company提供发动机和测试室的使用。同时，作者还要感谢Teksan Generator Company提供的消耗品支持，特别是氨燃料。