《Scientific Reports》：Evaluation of performance and emissions of a diesel engine using dual aqueous ammonia -diesel fuel
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化石燃料应用产生的碳足迹是衡量温室气体排放总量的关键指标，氨水等可持续替代燃料被认为是解决传统燃料短缺、发展低碳燃料及应对气候变化的有效途径。研究人员对柴油机燃用柴油与氨水双燃料时的排放与性能进行了研究。将氨与水按体积比5%、10%和15%混合以规避不利影响。
化石燃料应用产生的碳足迹是衡量温室气体排放总量的关键指标，氨水等可持续替代燃料被认为是解决传统燃料短缺、发展低碳燃料及应对气候变化的有效途径。研究人员对柴油机燃用柴油与氨水双燃料时的排放与性能进行了研究。将氨与水按体积比5%、10%和15%混合以规避不利影响。在75%发动机输出功率下，向柴油中添加5%、10%和15%的氨水使制动比油耗（BSFC）分别增加4%、7%和13%。当氨水添加比例为5%、10%和15%时，柴油与氨水的热效率分别降低4%、7%和13%。与柴油相比，5%、10%和15%的氨水使一氧化碳（CO）排放分别增加17%、32%和42%，而氮氧化物（NOx）分别降低5%、10%和15%。在100%输出功率下，与纯柴油相比，5%、10%和15%氨水的碳氢化合物（HC）排放分别增加10%、23%和31%，而二氧化碳（CO?）分别降低6%、12%和17%。在75%输出功率下，5%、10%和15%氨水的氧气（O?）浓度分别增加6%、8%和10%。尽管氨水作为减碳补充燃料具有潜力，但发动机性能损失和排放问题限制了其应用。
研究背景：化石燃料的碳足迹是温室气体排放的关键指标，寻找低碳替代燃料已成为内燃机领域的重要课题。氨（NH?）作为零碳燃料和氢能载体，具有较高的重量氢密度（约17.6%~18%），燃烧时理论上仅产生氮气和水。然而，氨存在自燃温度高、层流燃烧速度低、淬熄距离长等固有缺陷，导致燃烧不稳定、点火困难及未燃氨逃逸等问题。现有研究多集中于无水氨或气态氨，且常采用改装的喷射、汽化或燃烧系统，而针对传统柴油机通过进气道熏蒸（fumigation）方式使用氨水溶液作为辅助燃料的研究尚不充分。氨水溶液含70%水和30%氨，水组分虽不提供化学能，但通过热稀释和蒸发冷却可显著影响进气道充量和缸内燃烧温度，从而在降低NOx的同时可能抑制燃料氧化、增加CO和HC排放并恶化燃油经济性。因此，亟需系统实验评估氨水替代比例与发动机负荷对性能与排放的权衡关系，以确定适宜的替代水平。
研究方法：研究人员在一台额定转速1500 r/min的传统柴油机上开展实验，采用进气道熏蒸方式将氨水溶液（30% NH? + 70% H?O）按5%、10%和15%体积比引入进气道，柴油经直接喷射进入气缸作为引燃燃料以保障稳定着火。实验在0.9、1.8、2.7、3.6和4.5 kW五个制动功率点进行，测量制动比油耗（BSFC）、制动热效率（BTE）、排气温度（Texh）以及CO、CO?、HC、NOx和O?排放。采用MRU DELTA 1600-V烟气分析仪测定排放，K型热电偶测量温度，基于误差传播法进行不确定度分析（总不确定度约3.33%）。能量替代比（ESR/AER）基于燃料低热值（LHV）和质量流量计算。选取5%~15%氨水比例旨在保证低至中等燃料改性水平下的稳定燃烧，避免燃烧不稳定和过长着火延迟。
研究结果：（1）制动比油耗（BSFC）：随发动机负荷增加，所有燃料BSFC均下降；氨水比例升高使BSFC增加，归因于氨水低热值和水的高汽化潜热及氨较慢的燃烧动力学。在100%输出功率下，5%、10%和15%氨水使BSFC分别增加4%、7%和13%。（2）制动热效率（BTE）：BTE随负荷增加而升高；氨水比例升高使BTE略降。在100%制动功率下，5%、10%和15%氨水使BTE分别降低4%、7%和13%。（3）氨能量比（AER）：AER随负荷和氨水比例增加而升高，在3.6 kW负荷下，5%至15%氨水比例对应AER从4%增至14%。（4）CO排放：CO随负荷升高而降低、随氨水比例升高而增加。与纯柴油相比，5%、10%和15%氨水在峰值负荷下CO分别增加17%、32%和42%。（5）NOx排放：NOx随负荷升高而增加，但随氨水比例升高而降低。水的高汽化潜热和充量冷却抑制热力型NOx（Zeldovich机理），氨作为还原剂可将NOx转化为N?。与纯柴油相比，5%、10%和15%氨水在100%制动功率下NOx分别降低5%、11%和15%。（6）HC排放：HC随负荷升高而降低、随氨水比例升高而增加。低氨火焰速度和水的冷却效应导致不完全氧化。5%、10%和15%氨水在满负荷下HC分别增加10%、23%和31%。（7）CO?排放：CO?随负荷升高而增加、随氨水比例升高而降低，归因于氨的零碳特性和混合燃料碳含量降低。在75%制动功率下，5%、10%和15%氨水使CO?分别降低6%、12%和17%。（8）O?浓度：排气O?随负荷升高而降低、随氨水比例升高而增加，反映水稀释效应和氨较慢氧化动力学导致氧气利用不充分。在100%输出功率下，5%、10%和15%氨水使O?分别增加6%、8%和10%。（9）对比分析：本研究结果与近期氨-柴油研究报道的趋势一致，BTE下降（4%~13%）和BSFC上升（4%~13%）与文献中因氨低反应性和慢火焰速度导致的效率损失相符，CO（17%~42%）和HC（10%~31%）的增加印证了氨燃料发动机不完全燃烧特征，CO?降低（6%~17%）与氨的零碳属性一致，NOx降低（5%~15%）归因于氨水的冷却和稀释效应。
讨论与结论：柴油机进气道熏蒸5%、10%和15%体积比氨水溶液的双燃料实验表明，氨水添加虽能降低NOx和CO?排放，但导致HC和CO浓度升高，并对性能参数产生负面影响——增加比油耗、降低制动热效率，CO和HC升高亦指示不完全燃烧，存在明显的排放-性能权衡。因此，尽管氨水作为减碳补充燃料具有潜力，但性能损失和燃烧问题限制了其应用。由于仪器限制，NH?排放未直接量化，较高氨浓度下CO和HC的升高提示可能存在未燃NH?逃逸。实际应用方面，长期耐久性因素（材料兼容性、润滑油污染、进气道降解、喷油器腐蚀和燃料泵磨损）未在实验中考察，氨水的高水含量和化学特性可能在长期运行中导致润滑问题、进气道劣化和燃料系统部件腐蚀，需采用耐腐蚀材料（不锈钢、镍基合金、聚合物衬里部件）、兼容弹性体（PTFE、Viton）及高稳定性润滑油和油液监测等措施。研究局限性在于未进行缸内压力测量，无法直接评估放热率、着火延迟和燃烧持续期等燃烧特性，未来将引入先进燃烧诊断技术并结合喷射策略与运行工况优化。
