一种用于单燃料氨发动机制氢的主动预燃室辅助缸内重整技术概念

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：An active pre-chamber-assisted in-cylinder reforming concept for hydrogen production in single-fuel ammonia engines

　　摘要：氨是一种极具潜力的零碳燃料，可用于船舶领域，但其较差的点火与燃烧特性限制了其在发动机中的高效应用。虽然富氢燃烧能够提升氨的燃烧效率并改善发动机性能，但由于安全和成本方面的限制，长距离航行船舶难以实现氢气储存。缸内重整技术则提供了一种无需催化剂的途径，可直接将氨转化为氢气。由此产生的富氢废气可被回输至其他气缸以增强燃烧，从而实现仅使用氨作为燃料的氨氢共燃。然而，氨本身较窄的富燃范围从根本上制约了该技术的实际应用。为解决这一问题，本研究提出了一种基于预燃室辅助的缸内重整方案，即将主动式预燃室湍流喷射点火技术集成到专用的重整气缸中。通过在预燃室内形成接近化学计量的混合气，可实现可靠点火，即便在高度富燃条件下也能保证主燃烧室的稳定燃烧，进而有效扩展其富燃范围，超越传统火花点火的限制。在通过实验数据验证数值模型后，研究分别在火花点火和预燃室辅助两种模式下，针对不同的点火时刻和当量比，系统评估了氢气生成量及发动机性能。在两种模式下，随着当量比的增加，过量氨的转化率逐渐下降；而在适度富燃条件下，由于过量氨更易存在，氢气生成量反而上升。在此类条件下，两种模式的氢气生成量及指示功表现相当。尽管预燃室辅助点火能提升点火效率并加速燃烧，但也会增加热量损失，从而导致指示功略有下降。不过，在更高当量比（φ > 1.4）条件下，该方案相比火花点火模式，能实现更高的指示功、更好的氨转氢转化效率以及更高的氢气生成量。这些结果表明，预燃室辅助燃烧为扩展氨的富燃范围、提升总氢气生成量提供了有效途径，为采用单一氨燃料的高效氨氢发动机的发展带来了希望。

引言：全球迈向碳中和的进程正在加速推动人们从传统化石燃料转向低碳或零碳能源。海运承担着全球80%以上的贸易运输量[1]，虽仅贡献约3%的全球温室气体排放量，但随着贸易规模的持续增长，其减碳压力也在不断加大[2]。为此，国际海事组织制定了净零温室气体战略，目标是在2040年前实现70%的减排幅度，2050年实现全面脱碳[3]。由于内燃机仍是全球航运领域的主流动力来源，且几乎所有船舶仍依赖化石燃料，因此替代燃料成为实现船舶减碳的最有效途径。在各类替代燃料中，氢气因其零碳排放、高反应活性、宽广的燃限以及快速的层流火焰传播速度，被视为极具前景的燃料。这些特性使得氢气能够显著提升内燃机中的燃烧稳定性与效率。然而，氢气的广泛应用受到其体积能量密度较低、高压储存或深冷液化存在技术难题，以及运输和船上储存过程中的安全风险等限制[4]，这使其难以成为主要能源载体，尤其是在移动应用领域。相比之下，另一种无碳燃料——氨气，因有望克服氢气在储存和基础设施方面的诸多局限，再度受到关注。氨气可通过成熟的哈伯-博施工艺利用可再生能源电合成，可在适度压力或-33°C条件下以液态形式储存[5]，并且可以利用原本为农业和化工行业设计的现有全球物流网络进行运输[6]。由于其体积能量密度远高于压缩氢气，且处理过程中的爆炸风险更低，氨气已成为实现船舶及长途重载运输脱碳的理想候选者。尽管如此，氨气燃烧仍面临诸多挑战：其化学反应活性较低，燃限较窄，层流火焰传播速度缓慢，最小点火能量较高[7]，这些特性导致难以实现稳定点火，燃烧过程波动较大，燃烧时间延长，且在高氨能量比条件下极易发生失火现象。Lhuillier等人[8]对以纯氨为燃料的火花点火发动机进行了实验研究，发现与甲烷燃烧相比，氨燃料发动机的功率输出显著降低，性能波动系数也更高。从排放方面来看，废气中含有大量未燃尽的氨气，浓度高达约8000 ppmv。Zhou等人[9]则研究了排量为95毫米的四冲程发动机中的氨柴油双燃料燃烧情况，结果发现，随着氨能量比从40%上升至90%，未燃尽氨气的浓度从约7000 ppm上升至10,000 ppm以上，同时发动机的热效率也逐渐下降。大量研究表明，氢气掺入可显著提升氨燃料发动机的燃烧性能[10]–[15]：少量氢气的添加能够促进火焰传播，缩短点火延迟时间，通过链式分支反应增加自由基数量，从而使热量释放过程更加稳定。实验结果表明，氢气掺入能有效优化氨的燃烧过程，缩短点火延迟时间（ST-CA10），减少燃烧持续时间（CA10-CA90），同时显著提升缸内燃烧速率[11]。Antuono等人[12]研究了以氨氢混合物为燃料的火花点火发动机中的火焰发展情况，发现当氢气体积分数从0%升高到15%时，NH3-H2发动机中平均湍流火焰速度可提升约75%。Wermuth等人[13]报告称，随着氢气能量比例从3%上升至8%，未燃尽氨气的浓度从约7500 ppm下降至5500 ppm。此外，Li等人[16]还对氨氢火花点火发动机进行了实验研究，测试了从0%到20%不等的氢气能量比，结果发现，在氢气能量比为7.5%时，该发动机的指示热效率可从纯氨燃烧时的约22%提升至约32%。因此，氢气掺入燃烧确实能有效降低未燃尽氨气排放，提升氨燃料发动机的热效率。不过，由于储存难题及高昂的船上资本成本，直接在船舶上储存氢气并不现实[17]。作为一种替代方案，可以通过氨的热分解或重整技术在船上生成氢气，而氨则可作为高效的氢气载体。这种船上氢气生成方式能够在避免高额氢气储存成本的同时，实现仅使用氨燃料的氨氢共燃[1]。目前，船上氢气生成技术主要分为两类：外部重整路线和缸内重整路线。在外部重整路线中，部分输入的氨气会在外部重整器中通过催化剂分解产生氢气，再将其引入发动机进行燃烧。Comotti等人[18]通过实验验证了这一方案的可行性：他们利用钌基催化剂，在发动机废气余热的驱动下将氨分解为氢气，并将其供给氨燃料发动机，从而提升了发动机性能。此后，外部重整器的设计不断优化，以提高氢气生成效率[19]，催化剂性能也得到提升，以实现更高的氨转化率[20]。此外，还有研究通过数值模拟探讨了基于氨热裂解的氨柴油双燃料发动机在降低未燃尽氨气方面的作用[21]，同时在氨燃料发动机中研究了氨裂解程度对燃烧和排放的影响[22]。不过，发动机与外部重整器之间的协同优化仍较为有限。目前已有多种氨外部重整技术被探索，包括电催化重整和热催化重整。基于水与氮反应[23]或尿素氧化反应[24]的电催化方法，通常存在氢气生成速率低、系统复杂性高的问题；而热催化重整则在将氨作为交通运输领域的可再生能源载体方面展现出较强的实用价值[25]。正因如此，热催化重整受到了更多关注，其中钌被视为最有效的氨分解催化剂。基于钌的催化剂通常需要在约500–550°C的温度下运行才能实现较高的转化效率[26]，但其高昂的成本限制了大规模应用。为降低成本，人们广泛研究了非钌基催化剂，但这些催化剂通常具有较低的氨转化率和氢气生成速率[27]。尽管具备一定潜力，但在外部重整技术在实际船舶运输中的应用仍面临诸多挑战：船舶发动机往往需要连续运行数十万小时，这对催化剂的耐用性和长期稳定性提出了极高要求。此外，高温运行还会增加加热输入氨气所需的能量，而高昂的催化剂成本以及重整器集成所带来的系统复杂性，进一步阻碍了该技术的规模化应用。正是这些挑战推动了缸内重整技术的研发。缸内氨重整技术通过在发动机气缸内实现富氨燃烧，作为一种无需催化剂、成本低廉且具有天然协同效应的船上氢气生成方法，近年来越来越受到重视[28]。该技术利用发动机循环过程中本就较高的温度和压力，结合部分氨气的燃烧，无需外部重整器和催化剂即可将氨转化为氢气。生成的氢气可在专用的重整气缸中产生，然后直接供给其他气缸，从而无需额外的氢气储存系统。而且，专用重整气缸的运行不会影响整个发动机的功率输出。将含氢废气回输至其他气缸，不仅能实现氢气富集，还具有废气再循环的作用，有助于抑制富氢燃烧过程中常见的NOx排放增加现象[9]。此外，大量实验表明，适度程度的氢气富集就已足以显著提升氨燃料发动机的燃烧稳定性、性能及排放水平；而过度的氢气添加则带来的益处十分有限，同时由于燃烧温度升高，还会导致NOx排放大幅增加[14]，因此过度富氢并无必要。在此背景下，缸内重整技术使得使用适当氢气含量的氨氢混合物实现稳定运行成为可能，降低了对高氨转化率及氢气纯度的要求，从而提升了缸内氨重整技术的技术可行性和实际应用价值。先前的研究已经证明了在快速压缩机以及内燃机中，通过富氨燃烧生成氢气的可行性。Liu等人[28]对快速压缩机进行了实验研究，评估了在多种初始热力学状态下的富氨燃烧氢气生成情况，证实即使在与发动机实际运行条件相近的压力和温度下，也能实现显著的氢气生成。Zhou等人[9]则提出了一种针对氨燃料发动机的缸内重整气体再循环策略。在该方案中，有一个气缸被设定为在富燃条件下工作的重整气缸，该气缸产生的含氢废气随后会被回输至其余气缸。这一方案有效地结合了富氢燃烧与废气再循环的优点。他们的研究结果表明，在氨能量比约为97%的情况下，采用该策略可使发动机热效率提升约15%，同时使未燃尽氨气及N2O的排放量相比没有采用该策略的普通氨燃料发动机减少近90%。不过，在Zhou等人提出的方案中，为了确保稳定点火和高重整效率，使用了柴油作为点火源。这就不可避免地会产生二氧化碳排放，同时还需要额外的柴油储存和供应系统，从而在一定程度上削弱了氨燃料发动机无碳化及系统简洁性的优势。Reggeti等人[29]对在富燃条件下运行的纯氨火花点火发动机中的氢气生成情况进行了初步实验研究。他们的研究发现，在当量比约为1.1–1.3的范围内，大量未燃尽的氨气可以被转化为氢气。然而，当当量比超过1.3时，发动机的运行稳定性会显著下降，出现操作不稳定及频繁失火的现象。在这种条件下，由于氨气点火本身的固有难题，要维持发动机的稳定运行变得愈发困难。由此可见，富氨燃烧条件下可实现的氢气产量，很大程度上受到氨气较窄的富燃范围以及其本身较弱点火特性的限制。为克服氨气点火性差、火焰传播速度慢的问题，人们已经探索了多种点火强化技术。其中，双燃料或活性物种辅助点火策略，如柴油引燃[4]、氢气富集[16]以及裂解氨辅助燃烧[30]，是应用最广泛且工程上可行的方法。不过，这些策略通常需要额外的燃料或反应物供应系统，而且使用含碳的引燃燃料会在一定程度上削弱氨发动机无碳的特性。多火花或高能量点火[31]以及等离子体辅助点火[32]也被用于强化点火过程。然而，这些方法往往依赖于更高的点火能量，其效果主要局限于火花区域。相比之下，主动预燃室湍流射流点火是一种被广泛研究的点火策略，它通过促进分布式点火并加速主燃室内的火焰传播，为提升氨的点火与燃烧性能提供了另一种有前景的途径。刘等人[33]在近化学计量条件下，针对纯氨发动机提出了基于反应性控制的湍流射流点火方案，该方案利用带清除功能的空气辅助预燃室来调节预燃室混合气的反应性，从而改善氨的燃烧效果。雷吉蒂等人[34]进一步证明，采用氢气作为燃料的主动预燃室能够实现贫氨燃料发动机的稳定运行。此外，近期还有许多研究对预燃室进行了各种优化，包括预燃室几何结构[35]、喷嘴数量与直径的优化[36]、高温湍流射流点火建模[37]、熄火机制研究[38]以及不同的预燃室工作模式探索[39]。这些研究表明，主动预燃室点火能够提升氨的点火性能，加速火焰传播，并提高燃烧稳定性。然而，现有的研究主要集中在近化学计量和贫燃工况下，其在富燃条件下的作用，尤其是对于缸内氨重整而言，目前仍缺乏深入研究。因此，本研究提出了预燃室辅助重整缸设计理念，即将主动预燃室湍流射流点火技术集成到专门的重整缸中。在主动预燃室的辅助下，重整缸内的氨-空气混合气会在空间上形成两个不同区域：预燃室中靠近火花塞处为接近化学计量的混合气，而主燃室内则为高氨浓度的混合气。具体而言，预燃室中会形成接近化学计量的混合气，以确保可靠点火。点火后，富含自由基的高温湍流射流会被喷射到主燃室中，从而有效点燃高氨浓度的混合气。与火花点火方式相比，这种策略有望显著扩展氨燃烧的富燃运行范围，同时保持稳定的运行状态。在本研究中，分别在SI模式和PC模式下，探讨了不同点火时刻和当量比下的氢气生成量及发动机性能。对比分析表明，所提出的预燃室辅助缸内重整理念在富燃条件下能有效促进氢气生成，并实现纯氨发动机的稳定运行。这些研究成果为开发能够实现氨氢共燃、仅需单一氨燃料供应的高效纯氨船用发动机提供了重要参考，有助于推动航运业向零碳排放方向发展。

方法部分介绍了本研究中使用的数值模型及仿真设置，包括模型的建立、验证以及运行条件等相关内容。

结果与讨论部分分析了PC模式和SI模式下重整缸的燃烧特性及氢气生成情况，首先研究PC模式，接着是SI模式，最后对两种模式进行对比分析。

结论部分提出了用于纯氨发动机氢气生成的主动预燃室辅助缸内重整理念，旨在克服富燃条件下氨点火与燃烧的固有限制。通过在专用重整缸中采用预燃室湍流射流点火系统，可在更宽的当量比范围内实现稳定燃烧并提升氢气生成效率。基于经过验证的3D CFD仿真结果，得出了主要结论。

作者贡献说明：丹思远负责原始稿撰写、方法学研究、数据整理及软件应用；周新毅负责审稿与编辑、方法学研究、资金获取、概念设计、研究实施及项目监督；高颖颖负责方法学研究、数据整理、研究实施、软件应用及审稿与编辑工作；倪伟西负责方法学研究及数据整理；王宁负责方法学研究及数据整理；杨文明负责审稿与编辑、项目监督、方法学研究及资金获取工作。

利益冲突声明：作者们声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：衷心感谢新加坡海事研究院在“海事转型计划资助项目”（SMI-2025-MTP-04）、新加坡国家研究基金会（NRF-CG2025-CG02-IG2-001023）、新加坡能源集团核心项目（SEC-Core2024-19）以及新加坡氢能创新中心第三项资助项目（CHIP2024-07-S2）方面给予的支持。

丹思远|周新毅|高颖颖|倪伟西|王宁|杨文明
新加坡国立大学机械工程系，新加坡