高压直接喷射氨 combustion（高压氨燃烧）技术在推进应用中的潜力与挑战

《F&S Science》：Potential and challenges for high-pressure direct injection ammonia combustion concepts for propulsion applications

　　马克斯·罗斯曼（Markus Ro?mann）、马克西米利安·马林（Maximilian Malin）、马可·科波（Marco Coppo）、妮可·维尔穆特（Nicole Wermuth）
大型发动机能力中心（Large Engines Competence Center），Inffeldgasse 19，8010 格拉茨（Graz），奥地利

**摘要**
以氨为燃料的发动机正在成为实现全球航运和发电脱碳的有前景的解决方案。高压液态氨注入技术已在快速压缩机和恒容燃烧室等实验装置中显示出减少有害排放的潜力，但关于大口径发动机应用的相关数据仍然有限。本研究探讨了不同氨注入策略对大口径中速发动机性能和排放的影响，包括氮氧化物（NOx）、一氧化二氮（N2O）和未燃烧氨的排放。研究使用了OMT开发的燃油驱动共轨喷射器原型，在双燃料配置下与柴油预喷射器配合使用进行实验。基于在光学可访问的恒容燃烧室中对燃油雾化的初步表征，进一步在单缸研究发动机上进行注入策略的测试，该发动机的部分负载工作点为12巴的IMEP（进气提前量）。实验表明，当氨的燃料占比达到95%时，发动机能够稳定运行。由于在最低柴油占比时N2O排放量增加，因此在氨占比85%至90%的情况下可实现最低的二氧化碳当量排放，相比传统柴油燃烧可减少高达70%的排放。这一减排效果是在600巴的喷射压力下实现的；而更高的喷射压力反而会导致排放量增加。此外，在相似的燃烧条件下，氮氧化物排放量也可减少高达33%。这些发现加深了对 combustion 过程的理解，并为未来在更高负载条件下的研究以及与尾气后处理系统相结合的应用奠定了基础。

**1. 引言**
全球地表温度持续上升，与此同时大气中的二氧化碳浓度也不断攀升，过去几年中已经超过了420 ppm的临界值 [1]。根据欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）受欧盟委员会委托实施的哥白尼气候变化服务（Copernicus Climate Change Service）的数据，2023年全球气温达到了创纪录的高水平，成为有记录以来最温暖的一年，远超2016年创下的先前的记录 [2]。这一趋势在2024年继续出现，2024年也被确认为有记录以来最温暖的一年，年平均全球气温首次超过工业化前水平1.5 K [3]。为了将全球变暖控制在工业化前水平以上1.5 K [4]（这一目标是在联合国气候变化大会（COP21）上达成的 [5]），必须迅速削减二氧化碳和其他具有高全球变暖潜能值（GWP）的气体排放。世界各国政府都提出了更加雄心勃勃的温室气体（GHG）减排目标。欧盟委员会2030年气候目标计划旨在使欧盟在2050年前实现气候中和，并提议到2030年将温室气体排放量至少减少到1990年水平的55% [6]。2024年2月，欧盟委员会认为有必要加速之前的计划，建议到2040年实现90%的净温室气体减排 [7]，如图1所示。国际海事组织（IMO）早在2018年就制定了减少二氧化碳排放的目标 [8]，并在2023年提出了更为雄心勃勃的目标，即到2050年实现净零温室气体排放，其中2030年的目标是每单位运输工作量减少40%的二氧化碳排放，到2040年则减少70%的温室气体总排放量 [9]。

为实现这些雄心勃勃的目标，全球需要从化石燃料向可持续替代能源进行转变。可再生能源如风能和光伏能是构建碳中和能源系统的最佳起点。然而，由于这些能源的波动性以及生产和消费分布在世界各地，因此需要大规模地储存和运输能源。电化学储能方式特别适合短期储存相对少量的能源，而化学储能方式则可在较长时期内提供更大的储存能力，甚至实现季节性储能（图2）。基于水分解为氢并通过电解进一步合成碳氢化合物或氨的化学储能方式虽然需要额外的能量，但所产生的化学物质比氢更容易液化运输。这些二次能源载体可以用作电子燃料，用于航空、航运和重型车载及非车载应用等的脱碳。

**图1. 欧盟的温室气体减排目标 [42]**

为了实现这些目标，全球必须从化石燃料转向可持续替代能源作为主要能源来源。风能和光伏能等可再生能源是最有潜力的起点。然而，这些能源的波动性以及生产和消费分布在世界各地的特点，意味着需要大规模地储存和运输能源。虽然电化学储能方式适用于短期储存少量能源，但化学储能方式则能提供更长时间的储存能力，甚至适用于季节性储能（图2）。基于水和电通过电解产生绿色氢气，再进一步通过合成生成碳氢化合物或氨的化学储能方式虽然需要额外能量，但所产生的化学物质比氢更容易液化运输。这些二次能源载体可以作为电子燃料，用于实现交通运输（如航空、航运和重型车辆）的脱碳。

DNV GL提出的零排放路径方案 [9] 显示，未来海运行业将采用多样化的能源组合，并预计到2050年氨将成为主流燃料。氨是一种产量巨大的化学品，年产量约为1.85亿吨。目前，大部分氨用于制造化肥（占80%的产量），另有19%用于塑料、药品和炸药。预计到2050年，氨作为氢载体和燃料在航运及发电领域的应用将使全球氨消费量增加三到四倍（图3）。2025年，首批商业用氨发动机已交付用于海运应用，预计将在2026年投入运行（图3）。

氨的物理和化学性质与大型发动机应用中常用的化石燃料及其他电子燃料有显著差异（表1）。尤其是氨的低层流燃烧速度和较高的最小点火能量，通常被认为不利于其在内燃机中的使用。

**表1. 各种碳基和无碳燃料与柴油燃料的对比**

为了克服氨的点火和燃烧特性带来的挑战，有人提出混合使用更具反应性的燃料 [10]。在仍需依赖柴油发动机运行能力的海运应用中，目前的研究中使用柴油作为反应性燃料成分。对于点火式发动机，氢是一种适合的高反应性燃料。许多研究探讨了氢和氨在不同发动机应用中的混合燃烧效果 [11]、[12]。氨燃烧过程中产生的污染物排放主要来源于燃料中的氮元素，尤其是氮氧化物（N2O）的排放，根据IPCC的数据，其100年期的全球变暖潜能值（GWP）是二氧化碳的273倍 [13]。Westley等人 [14] 报告称，在低温条件下，当氨（NH3）与一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）共存时，会在膨胀和排气冲程中生成N2O（这是一种被称为选择性非催化还原的反应 [15]）。Westley等人还发现，在燃料贫乏的情况下，燃料中氮元素的氧化是NO的主要生成途径，这使得在 spark-ignition 发动机中，当空气过量比（EAR）为1.35时NO排放达到峰值。Yousefi等人 [16] 发现，柴油-氨双燃料燃烧相比纯柴油燃烧可以减少NO排放。他们的模拟结果显示，当氮自由基在1400 K以上温度下与氧化态物种反应时会产生NO。他们还发现，在燃烧后期的1100–1400 K温度范围内，NO会被热DeNOx过程消耗，其中氨（NH3）起到热DeNOx剂的作用。

用于点火的柴油也会产生排放，包括温室气体和一氧化碳。为了减轻这种影响并减少二氧化碳排放，可以使用类似的柴油替代燃料（drop-in e-fuels）或生物柴油。此外，使用燃油添加剂也有助于降低一氧化碳和未燃烧碳氢化合物的排放 [18]、[19]。

对于氨燃料发动机，有多种可用的燃油供给和点火方案。目前考虑的方案概览如图4所示。

**图4. 压缩点火发动机（左）和点火发动机（右）的燃烧方案**
点火方案包括直接点火方式（NH3-PFI Open chamber）和预燃室点火方式（NH3-PFI Pre-chamber）。预燃室方案通过预燃室中的富燃料混合物或直接向预燃室供应额外的氢气来改善火花塞处的点火条件。这些发动机方案主要利用涡轮增压器上游或通过进气口喷射的方式实现气态氨和空气的混合。

氨-空气混合物的压缩点火（CI）在原理上是可行的，但要达到氨的高自燃温度（压缩比超过30:1），需要对进气空气进行预热，这对于需要至少20巴的制动平均有效压力（BMEP）的高功率应用来说是不现实的。因此，氨CI方案通常设计为双燃料燃烧方案，结合柴油预喷射。气态低压氨的供给（NH3-PFI）可以通过涡轮增压器上游的混合或通过进气口喷射来实现。柴油在压缩冲程结束时直接注入燃烧室以引发燃烧过程，该过程依赖于氨-空气混合物中的火焰传播。液态高压氨的压缩点火（NH3-HPDI）燃烧过程与典型的柴油燃烧类似，也是通过燃料-空气混合来控制燃烧的。这种方案可以在燃烧室内使用两个燃油喷射器，或者使用双针喷射器。

文献中发表的大多数实验研究都集中在通过进气口喷射气态氨或四冲程发动机中的中央混合方式（例如 [11]、[20]、[21]、[22]、[23]）。在这些实验中，废气中检测到大量未燃烧的氨，这通常导致空气过量比比柴油发动机运行时更低。氨喷雾燃烧有望在保持较高空气过量比的同时减少氨排放和氮氧化物生成。氨喷雾燃烧主要在具有光学观测条件的实验室实验中进行研究 [24]。Stenzel等人 [24] 在快速压缩膨胀机（RCEM）中研究了柴油引导的氨喷雾燃烧，发现当柴油喷雾和氨喷雾之间有强烈相互作用时，氨的燃烧更为剧烈。光学观测还表明，氨燃烧受到柴油燃烧产物的影响，这种情况与甲烷等更具反应性的燃料不同，后者的点火特性仅决定初期燃烧阶段，而不影响后续燃烧过程。

在同一实验装置中，还研究了两种喷雾的空间和时间相互作用对燃烧过程的综合影响 [25]。研究人员发现，当氨在柴油之前喷射时，柴油喷雾会受到显著影响，从而导致点火受到抑制。他们推测，这种强烈的相互作用会减少进入柴油喷雾中的空气量，由于氨的温度较低、蒸发焓较高和热容量较大，从而具有冷却效果。这些效应会增加柴油燃料的点火延迟时间，随着相互作用加剧可能导致失火。他们还观察到，较短的柴油预喷射和更高的质量流量会导致氨燃烧更加剧烈。在光学成像研究中 [26]，他们发现预燃氨喷雾的升程长度在整个燃烧过程中持续增加，更高的氨喷射压力与更长的升程长度相关。在研究中引入了柴油的后喷射或中间喷射方式，使得氨气喷雾在接近喷嘴出口处被点燃，从而缩短了未燃烧氨气的排放长度并减少了其排放量，同时并未显著影响N2O的排放。研究还发现，NO主要在燃料贫燃条件下形成，并且与碳氢化合物燃烧相比，在较低温度下就已经开始大量产生NO。在[27]中提出了一种未燃烧氨气排放的潜在来源，即氨气喷雾在火焰转换阶段首先穿透柴油产物，但其尖端并未被点燃。Ichikawa等人[28]研究了类似后喷射的过程，他们在恒容燃烧室内考察了双层和三层分层燃料喷射。第一层使用正十六烷作为柴油燃料的替代品，第二层为氨气，第三层（可选）同样使用正十六烷。他们发现，在双层喷射的情况下，燃烧后期显著延长；而在三层喷射的情况下，第三层的正十六烷有助于第二层氨气的燃烧。排放气体中的未燃烧氨气量较低，引入第三层后没有显著变化。然而，第三层在减少N2O排放方面非常有效，这可能是由于第三层的活跃燃烧减少了液体NH3喷雾扩散火焰中的低温区域，而N2O正是在这个区域形成的。除了温度因素外，还推测燃烧产生的H自由基通过促进NO还原反应NO + H → N + OH和N2O消耗反应N2O + H → N2 + OH来帮助减少N2O的生成。此外，他们观察到分层喷射的NOx生成量明显低于纯正十六烷喷射。

Duan等人[29]利用3D-CFD模拟研究了柴油燃料喷射器空间布置的影响，比较了不同喷射配置，并发现喷射器布局对效率及排放有显著影响：过于紧密的布置会导致局部燃料富集，而较大的间距则使氨燃料的点燃更加困难。Zhou等人[30]通过3D-CFD模拟研究了两冲程体内燃机中含氨燃料的燃烧和排放形成过程。由于存在DeNOx反应，高压双燃料燃烧模式下的NOx排放量低于柴油模式。增加 Pilot柴油燃料的比例会导致燃烧温度升高，从而增加热型NOx的排放；而燃烧速度的提高则会减弱DeNOx反应。另一方面，较长的点火延迟时间有助于形成更大的预混合气体，其中多余的氧气会产生更多的燃料型NOx。他们还发现，N2O主要在燃烧初期（温度低于1300 K）生成，并在后续反应中被消耗掉。在持续扩散燃烧过程中，反应物的积累较少，温度较高，因此N2O生成量较低。而在燃烧初期有较多柴油Pilot燃料的情况下，较长的点火延迟时间和更多的反应物积累会导致更高的N2O生成速率和排放量。

在[31]中报道了一项研究，该研究在单缸压缩点火发动机中应用了高达500巴压力的液态氨气喷射，该发动机的排量为5.17升，使用了一个带有两个喷嘴的喷射器直接将氨气和柴油喷入燃烧室。分别改变了氨气和柴油喷射之间的滞留时间以及过量空气比例（20%和30%的氨气）。研究发现，喷射之间滞留时间最短时，N2O和NH3的排放量最低。过量空气比例从1.6变化到2.4时，N2O和NH3的排放量有所减少，但NOx排放量急剧增加。由于氨气排放过多，较高比例的氨气使用受到限制。在后续研究中，Thorau等人[32]考察了氨气比例高达95%的喷射策略，结果显示，在氨气喷射前进行Pilot柴油喷射可以减少点火延迟并促进更稳定的扩散燃烧；然而，这种策略也会导致NH3排放显著增加。喷嘴直径的变化也表明，较大的喷嘴（伴随更高的质量流量）会延长点火延迟并增强预混合燃烧，进而增加NH3和NOx的排放。

Bj?rgen等人[33]研究了以氨气和柴油为双燃料的0.35升压缩点火发动机在不同喷射策略下的性能。研究发现，氨气和柴油的同步喷射可以降低氨气的泄漏量并提高燃烧效率。即使采用最有利于燃烧的喷射策略，当氨气能量占比为40%时，氨气排放量仍约为2000-3000 ppm；当氨气能量占比为60%时，最低氨气排放量约为10.000 ppm。

在中等转速领域，Park等人[34]研究了柴油喷射时机和柴油比例对12.5升级单缸船用发动机性能的影响，该发动机采用高压氨气直接喷射和柴油点火技术。他们发现，除了喷射时机外，柴油燃料的喷射量对功率输出和排放也有显著影响。柴油喷射量减少4.1%会导致功率输出下降5.9%，同时未燃烧氨气排放量增加12.5%。尽管许多研究已经在快速压缩机和恒容燃烧室等实验装置中探讨了液化高压氨气的应用，但针对大缸径发动机应用的研究结果仍然有限。本研究采用了一种新型设计，即在主喷射器附近配备一个小柴油Pilot喷射器。这种配置改变了柴油和氨气喷雾之间的相互作用，同时也允许在更高的氨气和柴油喷射压力下获得潜在优势。目前仍存在研究空白，特别是在氨气喷射压力超过600巴时的燃烧情况，以及氨气和柴油喷射压力对燃烧行为的影响。此外，与传统柴油燃料相比，减少NOx和温室气体排放的潜力也需要进一步详细研究。

本研究的重点是探讨不同喷射策略和操作参数对发动机性能和排气排放的影响。基于氨气的性质和初始喷雾特性，讨论了这种新方法对发动机燃烧系统的优势和挑战。

2. 实验装置
2.1. 单缸研究发动机
本研究使用的发动机是一台中等转速的4冲程单缸研究发动机（SCE），排量约为15升，经过改造后可支持双燃料运行。为了研究柴油-氨气联合作用，选择了非回旋式活塞缸头和17:1的压缩比（CR）。低旋涡结构的缸头配备了两个进气阀和两个排气阀。通过更换凸轮轴的凸轮轮廓，可以调整进气阀和排气阀的开启时间。本研究选择了进气阀在下止点前提前关闭的阀升程曲线。发动机配置详见表2。

表2. 单缸发动机技术参数
额定转速：750 rpm
工作循环：四冲程循环
缸径×行程：250 × 320 mm
排量：约15.7 dm3
压缩比：17:1
阀升程：进气阀提前关闭（IVC）
进气/排气阀数量：2/2
进气空气：由外部压缩机提供，增压压力最高达10巴

单缸研究发动机使用的缸头基于系列配置进行了改造，以适应双燃料运行。氨气喷射器位于燃烧室中央，取代了传统的柴油喷射器；另一个喷射器集成在缸头中，用于提供柴油Pilot喷射。柴油Pilot喷射器的定位需要倾斜放置，而非垂直安装。图5展示了柴油喷雾和氨气喷雾的喷射交互示意图。此外，缸头还设计了两个独立的氨气回流通道：一个通道保持大气压，另一个通道保持50巴压力，以避免喷射器控制阀内的两相流动。

氨气高压喷射的燃油喷射器设计需考虑氨气的腐蚀性、润滑性能差以及空化风险。由于氨气的热值低于柴油，因此喷射器必须能够处理较大的流量。喷射器的基本结构采用“共轨”（CR）设计，包括双向电磁阀、两个校准的喷嘴孔来调节控制腔内的压力以实现开启和关闭动作、集成的燃料蓄积器和流量限制阀，以及零静态泄漏的喷嘴，具体细节参见[35]和[36]。最大工作压力设定为150 MPa。氨气和柴油Pilot喷射器的规格见表3。

表3. 喷射系统规格
柴油泵：Bosch
柴油Pilot喷射器：DUAP
柴油Pilot喷嘴配置（孔径/流量/参考压力）：4个孔，0.26 mm，1.6 l/min，120 MPa
氨气燃料泵：Hammelmann HAMPRO 23
氨气燃料喷射器：OMT共轨喷射器
氨气喷嘴配置（孔径/流量/参考压力）：8个孔，0.54 mm，14 l/min，131 MPa

所有发动机流体（包括冷却水、润滑油和进气空气）都受到严格控制，以确保测试条件的准确性和可重复性。系统没有使用涡轮增压器，而是通过发动机上游的空气压缩机和排气系统中的阀门来调节进气和排气歧管压力。安装的压电式压力传感器可以实时计算每个循环的平均有效压力。

过量空气比例定义为公式（1），其中mNH3表示氨气质量，mdiesel表示柴油质量，mair表示空气质量，AFRstoich,NH3和AFRstoich,diesel分别表示氨气和柴油的化学计量比：
(1) EAR = mair / (mNH3 × AFRstoich,NH3 + mdiesel × AFRstoich,diesel)

为了获得高度可靠和可重复的排气气体测量结果，使用了AVL FTIR系统来检测所有感兴趣的排气气体成分。表4总结了SCE测量的其他仪器设备。

表4. SCE测量仪器
仪器 | 准确度 | 测量范围 |
|-----------------|-----------------|-------------------------|
| 空气质量流量 | Emerson Micro Motion | +/-0.25% | 0–1000 kg/h |
| 柴油质量流量 | AVL Fuel Exact | +/-0.1% | 0–150 kg/h |
| 氨气质量流量 | Emerson Micro Motion | +/-0.25% | 0–300 kg/h |
| 进气空气温度 | PT 100 | 根据A类标准 | 223 – 773 K |
| 进气空气压力 | AVL压电传感器 GU21C | +/-0.3% | 0–8 MPa |
| 缸压 | AVL压电传感器 QC34D | +/-0.2% | 0–25 MPa |
| 排气气体温度 | 热电偶类型K | 根据A类标准 | 最大1370 K |
| 排气气体压力 | AVL压电传感器 GU21C | +/-0.3% | 0–8 MPa |
| 排气气体成分 | AVL SESAM i60 FT SII | +/-2% | NO: 1000 ppm | NO2: 1000 ppm | N2O: 1000 ppm | NH3: 1000 ppm / 15000 ppm |

为了进一步理解燃烧过程，使用了LEC GmbH公司的CORA（Combustion Optimization, Research and Analysis）软件包分析缸压变化轨迹。对高压循环进行了零维分析，使用了两区模型结合Woschni传热方法，以确定根据Pischinger等人[37]的研究结果得出的热量释放率和效率损失。然而，当前的分析没有纳入蒸发模型，这可能会影响与液态氨相关结果的准确性。用于测试发动机的高压燃料供给和喷射系统在[38]中有详细描述。设计氨供给系统的一个主要挑战是确保其维持在足够高的压力下，以安全地避免氨的蒸发并满足高压燃料泵的最低入口压力要求。为柴油预喷射和可再生燃料喷射分别构建了两个独立的高压燃料系统。柴油预喷射系统能够工作到1200巴的压力，所使用的预喷射喷嘴的额定流量为1.6升/分钟。预喷射燃料流量是通过AVL Fuel Exact测量的。可再生燃料的高压燃料系统包括一个设计用于最大喷射压力为1500巴的泵。高压燃料系统还包括燃料调节、燃料质量流量测量以及用于维持喷射器泄漏回流线路中所需压力的执行器和控制系统。

2.2 喷射特性
在西班牙瓦伦西亚理工大学（Universitat Politècnica de València）的CMT-Motores Térmicos实验室中，使用详细描述在高压力和高温容器中的设备[39]和[40]，对三种不同燃料的喷射特性进行了研究。这种灵活的测试台可以独立控制环境气体组成、压力和温度，从而模拟中速压缩点火发动机气缸内的热力学条件。本研究在惰性（氮气）气氛中进行，重复率为10秒，以确保每次喷射时热力学环境条件稳定。使用了两种不同的测量技术来检测液体和气体喷射的穿透情况。
采用了传统的schlieren双通道布置来检测高压和高温条件下的蒸汽喷射发展情况。该技术依赖于平行光穿过非均匀流体时产生的光束的偏转。实验schlieren布置的示意图以及样本图像显示在图6中，所用设备的详细信息在[39]中有报告。由于这种布置是通过放置在喷嘴周围镜子反射的光来测量的，因此无法从这些图像中检测到喷射孔附近的喷射情况。

2.3 测试程序
单缸研究发动机中直接喷射氨的实验研究的目的是评估柴油燃料比例变化、氨喷射压力的影响以及喷射之间的停留时间的影响。在SCE研究中，关键的操作参数（例如，过量空气比、柴油比例、喷射时刻）在固定负荷和发动机转速下进行了变化。表5提供了关键测试和操作参数的概述。过量空气比是根据测量的空气和燃料质量流量以及选定柴油和氨燃料比例的化学计量空气-燃料质量比来确定的。通过调整增压压力来实现过量空气比的调节。废气压力被调节以达到所需的增压压力与废气压力之比。

3 结果
3.1 停留时间
采用柴油和氨的独立喷射器的双燃料燃烧概念，允许独立调整两种燃料喷射之间的停留时间。图8说明了停留时间的定义，它描述了从柴油喷射器电流信号开始（SOCDiesel）到氨喷射器电流信号开始（SOCNH3）的曲轴角度持续时间。由于液压延迟，喷射开始的时间比喷射器电流信号晚，这由轨压降表示（图中氨的情况）。柴油喷射器的液压延迟仅为几度的曲轴角度，而氨喷射器的液压延迟较长（大约十度的曲轴角度），并且随着轨压的变化而变化。由于检测喷射开始的时间比喷射器电流信号有更大的不确定性，因此本文中的停留时间计算将基于喷射器电流信号。

3.2 停留时间的变化
在固定的燃烧相位下进行了停留时间的变化，该相位定义为燃料能量释放了50%的曲轴角度。氨和柴油的轨压力分别保持在600巴和1200巴的恒定值。柴油的能量比例在整个测试过程中保持在10%，过量空气比固定在1.8。图9底部显示了实现所需燃烧相位所需的喷射时刻。对于负停留时间，即氨喷射时刻在柴油喷射时刻之前，需要提前氨喷射，同时稍微延迟柴油喷射。对于正停留时间，则保持氨喷射信号不变，同时提前柴油喷射。燃烧的第一阶段，由释放了1%燃料能量的曲轴角度CA01表示，从大约4°CA bTDC随着负停留时间?4.5°CA稳步提前到?16°CA bTDC，最大正停留时间为8.5°CA。

3.3 停留时间对燃烧过程的影响
图10展示了三种不同情况下停留时间对燃烧过程的影响。图10的上部显示了早期燃烧阶段的热释放率。可以看到，柴油喷射开始与热释放率首次上升之间的时间延迟几乎是恒定的。与[25]中观察到的趋势相反，即柴油燃烧的点火延迟随着氨喷射的提前而增加，这里的点火延迟似乎几乎是恒定的。由于氨喷射器的液压延迟较长，氨喷射仅在柴油燃料的第一次热释放之后开始。停留时间的影响体现在初始燃烧阶段的强度上，而不是在柴油热释放的时序上。对于喷射之间停留时间最长的情况（用蓝色表示），热释放率的首个峰值几乎消失。（需要注意的是，计算出的负热释放率是由于在热释放分析中没有充分考虑燃料蒸发的时间进展。）假设氨被吸入柴油射流中会导致温度降低和反应性降低。这种较弱的氨燃烧开始的影响仍然可以在燃烧的后期阶段观察到。图10的下部显示了相同三种操作条件下的累积热释放。虽然有两个正停留时间的情况在50%热释放点之后的行为几乎相同，但负停留时间的情况显示该点之后的热释放显著延迟。类似于[27]中的报告，假设由于燃烧开始时反应较弱，氨射流的尖端最初不会燃烧，而是在循环的 sehr sp?t 燃烧。这也可能解释了图11中显示的负停留时间下氨排放增加的现象。虽然未燃烧氨的排放在停留时间超过2.5 CAD时几乎保持不变，但随着停留时间的减少，排放量增加了近四倍。燃烧开始的低强度反映在循环变异性上。图中所示的平均有效压力（IMEP）的方差系数（图的顶部）从正停留时间的约1%增加到负停留时间的超过4%。

3.4 轨压对燃烧过程的影响
柴油预喷射的轨压可以通过不同的方式影响燃烧过程。一方面，降低轨压会导致喷射持续时间延长，从而增加时间重叠，这在[24]中被发现是有益的。另一方面，在[25]中的RCEM实验中发现，尽管质流量相同，但较高的柴油预喷射质量流量会导致更强烈的初始氨燃烧。在当前实验中，由于预喷射压力从1200巴降低到800巴（图中用绿色表示），这两种效应都没有明显观察到。轨压以及因此的质量流量对早期热释放率的影响很小。由于柴油质量流量的减少，热释放率的初始峰值略有降低，这需要提前喷射时刻。然而，这种调整对氨燃烧几乎没有影响。在柴油喷射压力降低的情况下，射流穿透减少，增加了预混合NH3的比例，这可能导致更高的排放和更大的循环到循环的变异性。此外，也没有观察到长时间重叠的积极影响，甚至测得相同的停留时间下循环变异性更大和未燃烧氨的水平更高。这种行为可以通过更高的柴油轨压实现更长的喷雾穿透距离来解释，这也有助于与氨喷雾羽流更多的空间重叠和相互作用，这种效应对于本实验中的多孔喷嘴可能比在[24]中使用的柴油和氨几乎同轴喷雾的单孔喷嘴设置更为相关。3.2 柴油比例双燃料燃烧概念的目标之一是尽可能多地使用氨，以减少柴油引燃料的消耗并最小化二氧化碳的排放。为了研究不同燃料比例对燃烧和排放特征的影响，用于引燃喷射的柴油比例从30%（基于总燃料能量）变化到5%，同时保持CA50为9度ATDC和2.5 CAD的恒定停留时间。氨和柴油的轨压分别维持在600巴和1200巴。氨和柴油喷射所需的时机以及释放1%、5%、10%和50%燃料能量的曲轴角度在图12中显示。下载：下载高分辨率图片（174KB）下载：下载全尺寸图片图12. 在固定的燃烧相位CA50 = 9°CA aTDC和2.5曲轴角度停留时间下柴油比例的变化。随着柴油比例的降低，氨喷射持续时间增加，为了保持所需的CA50，需要提前柴油喷射的开始时间。对于较高的柴油比例，喷射开始时间几乎保持不变。热释放率（图13）显示，在柴油比例为5%的情况下，引燃料的燃烧似乎在氨喷射开始之前就已经完成，导致在氨燃烧开始前（大约8度bTDC）热释放率出现一个平台期。在柴油比例较高的情况下，由于柴油喷射时间较长，这个平台期仍然存在但不那么明显。氨燃烧的相对较弱起始也可能是图14中显示的较高循环变异性的原因。下载：下载高分辨率图片（292KB）下载：下载全尺寸图片图13. 不同柴油比例的热释放率。下载：下载高分辨率图片（228KB）下载：下载全尺寸图片图14. 柴油比例对循环变异性、指示效率、废气温度以及未燃氨和NOx排放的影响。虽然IMEP的COV对于较高的柴油比例几乎是恒定的，但对于最低的柴油比例，它增加到了超过1.7%。与之前段落中描述的由于停留时间不足或柴油喷射穿透不足导致的氨燃烧起始较弱的效果类似，最低柴油比例情况下未燃氨的排放量也增加了。为了进一步减少柴油比例，可能需要缩短停留时间，从而避免热释放率的平台期，并加强氨燃烧的早期阶段。在给定的停留时间和柴油轨压下，15%的柴油比例在NH3排放和燃烧稳定性方面似乎是有益的。在较高的柴油比例下，峰值热释放率降低，而循环后期的热释放增加。这种行为与在较低柴油轨压下观察到的行为一致，在那里增加的喷射时间重叠并没有提供明显的好处。在这些发动机条件下，NH3喷射主要依赖柴油点火，之后可以独立维持稳定的火焰。此外，柴油和NH3喷雾的时间重叠增加似乎会导致更高的未燃氨排放。最低柴油比例下的未燃氨排放与较长的燃烧持续时间相结合，显著降低了指示效率，而这一效率在其余柴油比例范围内几乎保持不变。图14还显示了在气缸盖下游大约80厘米处测量的废气温度。燃料的物理和化学性质以及气缸内的热释放时机对气缸内温度以及因此对废气温度也有重要影响。Reiter和Kong [41] 对柴油和氨之间的燃料比例以及过量空气比的绝热火焰温度进行了热力学计算。他们发现，在化学计量条件下，绝热火焰温度从柴油的2320 K降低到氨的2100 K，并指出了使用氨作为燃料时对整体气缸内温度水平的影响。图14中的废气温度变化可以看出[41]中描述的效果。尽管EAR保持在1.8，较低的柴油能量比例导致了较低的废气温度。正如前一段中描述的，由于氨燃烧启动较弱，未燃氨的排放量也增加了。为了进一步减少柴油比例，可能需要缩短停留时间，从而避免热释放率的平台期，并加强氨燃烧的早期阶段。在给定的停留时间和柴油轨压下，15%的柴油比例在NH3排放和燃烧稳定性方面似乎是有益的。在较高的柴油比例下，峰值热释放率降低，而循环后期的热释放增加。这种行为与在较低柴油轨压下观察到的行为一致，在那里增加的喷射时间重叠并没有提供明显的好处。在这些发动机条件下，NH3喷射主要依赖柴油点火，之后可以独立维持稳定的火焰。此外，柴油和NH3喷雾的时间重叠增加似乎会导致更高的未燃氨排放。最低柴油比例下的未燃氨排放与较长的燃烧持续时间相结合，显著降低了指示效率，而这一效率在剩余的柴油比例范围内几乎保持不变。图14还显示了在气缸头下游大约80厘米处测量的废气温度。燃料的物理和化学性质以及气缸内的热释放时机对气缸内温度以及因此对废气温度也有重要影响。Reiter和Kong [41] 对柴油和氨之间的燃料比例以及过量空气比的绝热火焰温度进行了热力学计算。他们发现，在化学计量条件下，绝热火焰温度从柴油的2320 K降低到氨的2100 K，并指出了使用氨作为燃料时对整体气缸内温度水平的影响。[41]中描述的效果可以在图14中的废气温度发展过程中看到。尽管EAR保持在1.8，较低的柴油能量比例导致了较低的废气温度。正如文献中关于氨燃烧所报告的，通过燃料结合氮的氧化形成NO是一个相关过程。同时，NO可以通过[17]中描述的热DeNOx过程被消耗，其中NH3作为热DeNOx剂。然而，这一过程速率在较低温度下被发现会降低。除了这些反应途径外，柴油和柴油-氨燃烧之间的气缸内温度差异进一步影响了NO废气排放。图14中可以看到这些影响因素的综合效应。氨比例的增加导致NO排放增加，尽管气缸内的温度降低了。在这个操作范围内，燃料结合NOx产生的贡献似乎是主导的。图15显示了不同柴油比例下的氮氧化物排放和CO2当量排放。CO2当量排放，所有组成部分以g/kWh表示，计算如下：(2)CO2equivalent=CO2+273×N2O正如Westlye等人[14]所报告的，当氨与一氧化氮和二氧化氮在低温下的膨胀和排气行程中存在时，会形成N2O。这里观察到了类似的行为。虽然NOx排放随着柴油质量比例的降低而增加，但N2O的趋势与NH3相似，在15%柴油比例时显示出局部最小值。鉴于N2O的高全球变暖潜力，在较低柴油比例下增加的N2O排放抵消了减少柴油比例的潜在好处。对于所研究的操作条件，在10%到15%柴油比例之间观察到了CO2当量排放的局部最佳值。下载：下载高分辨率图片（129KB）下载：下载全尺寸图片图15. 柴油比例对氮氧化物和CO2当量排放的影响。3.3 氨轨压所需轨压是决定高压燃料系统成本和复杂性的主要因素之一。因此，研究氨轨压对燃烧性能、排放和操作限制的影响是很有趣的。对于两种不同的能量柴油比例（分别为10%和25%），氨轨压从600巴变化到1310巴。在整个测试过程中，燃烧相位、过量空气比例和柴油轨压保持不变。图16显示了10%（上）和25%（下）柴油比例的热释放率。对于这两种柴油比例，随着氨喷射压力的增加，早期燃烧阶段的不强度降低。随后，与较低的氨轨压相比，峰值热释放率降低，燃烧的后期部分也被延迟。下载：下载高分辨率图片（376KB）下载：下载全尺寸图片图16. 不同柴油比例和NH3喷射压力的热释放率。这种行为的一个可能解释是较高轨压下氨的喷雾穿透更快。较高的喷射速度可能导致喷射尖端在点火完全建立之前就移出柴油喷嘴和柴油喷雾羽流的附近区域。在RCEM[27]进行的实验中也观察到了类似的效果。结果，当部分氨喷射被点燃时，喷射尖端可能会蒸发并与空气混合到一定程度，以至于无法实现完全燃烧。Stenzel等人[24]在RCEM实验中证明，柴油反应产物显著影响氨的点火行为和随后的燃烧。这部分燃料可能在气缸的周边区域形成贫氨-空气混合物，这些混合物在燃烧过程中燃烧延迟且可能不完全燃烧，从而导致未燃氨排放的增加，如图17所示。下载：下载高分辨率图片（153KB）下载：下载全尺寸图片图17. 柴油比例和NH3喷射压力对未燃NH3和NOx排放的影响。与600巴喷射压力的操作条件相比，1310巴喷射压力下的氨排放增加了6倍。与氨排放不同，NOx排放仅取决于柴油比例，但没有随氨喷射压力显示显著趋势。对于选定的操作条件，较低的氨轨压似乎提供了柴油和氨喷雾之间最有利于相互作用的条件，因此性能最好。这一观察在其他操作条件下的有效性将是未来研究的主题。3.4 氨和柴油操作的比较基于前几段中评估的敏感性，选择了最有利的操作条件来比较氨-柴油双燃料燃烧与纯柴油燃烧。对于氨-柴油燃烧，氨和柴油的喷射压力分别保持在600巴和1200巴。停留时间为2.5 CAD，过量空气比例设置为1.8，能量柴油比例为10%。对于纯柴油燃烧，氨喷射器被一个专门为满负荷操作设计的柴油喷射器取代——与用于氨-柴油操作的柴油引燃喷射器不同。柴油轨压在整个测试过程中固定在1000巴。图18显示了两种情况下的归一化热释放率和喷射器电流信号的比较，两种情况的CA50都设置为10度CA aTDC。除了集合平均热释放率（平均超过120个燃烧循环）外，标准偏差也显示在阴影表面上。氨燃烧显示出比柴油燃烧显著更高的循环变异性。这种差异似乎不是来源于柴油引燃喷射，而是来源于氨燃烧。此外，尽管喷射时间相似，热释放率看起来非常不同。虽然柴油热释放率在燃烧开始时迅速增加，但氨燃烧较早开始，但热释放率仅在上止点之后迅速增加。这种趋势有几个潜在的原因。一方面，热释放计算中没有考虑汽化热。这导致了对喷射期间和之后的热释放的低估。另一方面，氨的蒸发可能会降低气缸内的温度，从而降低反应性，导致热释放缓慢。氨燃烧的峰值热释放率高于柴油燃烧，燃烧结束得也较早。下载：下载高分辨率图片（213KB）下载：下载全尺寸图片图18. 柴油和氨-柴油双燃料燃烧的热释放率。图19显示了废气排放的比较。虽然柴油燃烧的发动机输出N2O排放非常小，但氨燃烧产生的N2O量相当大。由于一氧化二氮的高GWP，氨燃烧的CO2当量排放几乎是柴油燃烧的CO2排放的30%。为了不仅仅是减少航运行业的碳排放，还要减少温室气体排放，考虑包括发动机和适当的废气后处理在内的整个推进系统是至关重要的。下载：下载高分辨率图片（90KB）下载：下载全尺寸图片图19. 柴油和氨操作的NH3、NOx和N2O排放比较。与文献中所报告的类似，氨燃烧的NOx排放低于柴油燃烧。观察到的趋势可以通过柴油更高的绝热火焰温度来解释，这促进了热NOx的形成，同时氨具有作为热DeNOx剂的作用。图20比较了在不同燃烧相位变化下，氨和柴油燃烧的NOx排放趋势。尽管两种燃料显示出相似的趋势，但在相同的燃烧相位下，柴油燃烧产生的NOx排放量更高。当CA50为10°CA aTDC时，柴油产生的NOx排放量大约是氨的50%。要使柴油的排放水平达到与氨相当的水平，需要将CA50延迟约6°CA。这种权衡对发动机效率的影响如图21所示。

图20. 燃烧相位对氨和柴油运行中NOx排放的影响。

图21. 氨和柴油运行效率损失的示意图。

氨的快速燃烧过程以及柴油燃烧中更多的滞后燃烧导致由于实际燃烧而产生的效率损失较低。然而，未燃尽的氨排放会导致由于不完全燃烧而产生显著的效率损失，从而导致在恒定CA50为10°CA aTDC时总体损失比柴油更高。在考虑相似的NOx排放量的情况下，由于实际燃烧导致的损失显著增加，使得氨-柴油燃烧概念的效率高于柴油。氨的高蒸发热预计将强烈影响热效率。此外，燃烧室温度的差异也会影响壁面传热。未来的工作需要将蒸发模型集成到热量释放分析工具中，以便将来能够更详细地分析氨的燃烧过程。

4. 结论

氨作为一种无碳燃料，展现了巨大的潜力，可以支持从基于化石燃料的系统向可再生能源系统的过渡。它能够以液态形式储存和运输，因此特别适合作为大规模储存的能源载体，以及用于发电和运输应用中的内燃机燃料。尽管其较高的点火能量要求和较低的层流火焰速度引发了一些担忧，但最近的研究已经证明了使用氨进行发动机应用的可行性，并提出了各种燃料喷射策略和燃烧概念。然而，有效的尾气处理在遵守未来排放法规方面也将发挥关键作用。

在一个采用中央氨喷射器的NH3-HPDI燃烧概念中，使用了一台中速单缸研究发动机进行了实验测试。实现了高达95%的氨能量占比下的稳定运行。然而，由于在最低柴油占比时N2O排放量的增加，在该负载点下，最佳的CO2当量减排率被发现为85–90%，这相当于在柴油占比为10%时温室气体排放量减少了70%。随着柴油占比的降低，NOx排放量有所增加。尽管氨的层流火焰速度较低，但其总体燃烧持续时间与柴油相当。然而，氨的运行表现出更大的循环间变异性。与100%柴油相比，由于NH3作为DeNOx剂的作用和较低的火焰温度，氨产生的NOx排放量较低。虽然未燃尽的燃料导致了效率损失，但在相似的NOx水平下，氨-柴油概念的总损失（来自实际燃烧和不完全燃烧）比柴油燃烧要小。为了更详细地理解燃烧过程，将蒸发模型集成到热量释放分析工具中是必不可少的。研究表明，高达1310巴的喷射压力并不会改善燃烧，反而会导致更高的排放量，而NOx排放量保持相似。然而，尽管更高压力需要更复杂的喷射系统，但在高负载条件下可能仍然是必要的。关于驻留时间的调查显示，氨和柴油喷射开始之间的时间间隔对燃烧和排放有显著影响。负的驻留时间会导致更多的未燃尽氨和明显的循环变异性，因为初始的氨喷射最初不会燃烧。在小的正驻留时间内观察到了最低的排放量，此时氨有效地被混合到柴油喷射流中。

未来对NH3-HPDI燃烧的研究将侧重于优化柴油和氨之间的喷雾相互作用，以及研究合适的尾气处理条件。此外，氨及其燃烧产物对发动机材料和润滑剂的长期影响也将在未来的研究中予以关注。

5. 定义、缩写和简称

AFRstoich, Diesel：柴油燃料的化学计量空气/燃料比
AFRstoich, NH3：氨燃料的化学计量空气/燃料比
aTDC：上止点后
bTDC：上止点前
BMEP：制动平均有效压力
CAC：曲轴角度
CADC：曲轴角度（度）
CA50：释放50%能量的曲轴角度
CI：压缩点火
CO2：二氧化碳
COV：变异系数
CR：压缩比
DeNOx：去除氮氧化物的过程
NOx：氮氧化物
EARG：总过量空气比
GHG：温室气体
GWPG：全球变暖潜能值
HPDI：高压直接喷射
IMEP：指示平均有效压力
IMO：国际海事组织
IVC：进气阀关闭
mDiesel：柴油质量
mNH3：氨质量
NO：一氧化氮
NO2：二氧化氮
N2O：一氧化二氮
NOX：氮氧化物
PFI：端口燃料喷射
RCEM：快速压缩膨胀机
SCES：单缸发动机
SOC：喷射开始
SIS：点火
TDC：上止点
CRedi：作者贡献声明

Markus Ro?mann：撰写——原始草稿、可视化、验证、调查、正式分析、数据整理。
Maximilian Malin：方法论、调查、概念化。
Marco Coppo：监督、资源、概念化。
Nicole Wermuth：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、监督、资源管理、项目协调、资金获取。