综述：关于在柴油发动机中使用进气道燃油喷射（PFI）氨的潜力概述

《International Journal of Hydrogen Energy》：Overview of the potential for using port-fuel-injected (PFI) ammonia in diesel engines

　　

# 氨在压燃发动机中应用的文献综述

## 摘要

本文对利用氨（NH?）作为压燃（CI）发动机燃料的一种方法进行了全面的文献综述。分析聚焦于双燃料燃烧模式，其中氨通过进气道燃油喷射（PFI）供给进气道，而柴油燃料则直接喷射入气缸并作为引燃燃料。本综述评估了柴油-氨双燃料发动机的关键燃烧与性能参数，包括着火延迟（ID）、燃烧持续期（CD）、最大缸内压力（pmax）、最大放热率（HRRmax）、指示平均有效压力变异系数（COVimep）、热效率（TE）以及单位能量消耗（SEC）。此外，还研究了添加氨对有害及有毒排气污染物排放的影响，包括氮氧化物（NO）、碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO?）、一氧化二氮（N?O）、未燃烧氨（NH?逸出）以及烟尘。由于对这些参数的分析较为复杂，且受发动机负载、柴油喷射策略、燃烧相位以及氨能量份额等众多因素影响，本综述重点对氨能量份额的影响进行了详细评估，同时考虑了发动机负载条件及气缸充气策略。根据所综述的文献，研究发现：增加氨能量份额通常会延长着火延迟（在AES=90%时延长效应高达100%），并提高最大pmax（在AES=60%时约提高30%）以及HRRmax（在AES=55%时约提高90%）。与此同时，添加氨会略微恶化发动机燃烧稳定性，表现为COVimep的升高。然而，在大多数情况下，COVimep数值仍低于通常接受的5%稳定性阈值。氨对TE的影响受多种因素影响，其中包括发动机负载。在大多数所综述的研究中，增加氨能量份额在满载条件下改善了热效率（在AES=84%时提高幅度可达约20%），而在部分负荷条件下则普遍观察到热效率下降（在AES=90%时降幅可达约30%）。氨对污染物排放的影响也高度依赖于发动机负载。分析表明：在满载运行时，最常报告的NO排放增加（在AES=95%时可达三倍），而在部分负荷条件下NO排放则减少（在AES=60%时约减少30%）。HC和CO排放则呈现相反趋势。在高发动机负载下，增加氨能量份额可减少HC和CO排放（在AES=45%时HC约减少60%，在AES=84%时CO约减少95%），而在部分负荷条件下HC排放则大幅增加（在AES=60%时增幅超过五倍）。所综述的研究还表明，当氨作为柴油的补充燃料使用时，无论发动机负载如何，都具有显著降低CO?排放（在AES=95%时约降低90%）和烟尘排放（在AES=84%时约降低90%）的潜力。然而，大多数研究也报告了未燃烧NH?和N?O排放的增加，这可能抵消因CO?排放减少所带来的气候效益。此外，本综述还识别了氨作为内燃机燃料在实际应用中面临的主要技术、环境和组织挑战。最主要的挑战包括燃烧不稳定、高NOx和NH?排放、安全问题以及缺乏完善的燃料基础设施。

## 引言

持续的气候变化正在推动交通运输和工业领域向环境可持续能源转型。如果内燃机要在未来仍然是一种可行的发电技术，就必须大幅减少有害和有毒排气污染物的排放。气候变化和全球变暖日益紧迫的形势加速了向低碳和零碳燃料的转变。在这些替代方案中，氢气被广泛认为是最有前景的能源载体之一[1]。然而，氢气作为零碳燃料的广泛应用受到与其储存和分配相关重大挑战的阻碍，以及所需基础设施发展有限制约。作为宇宙中最小的分子，氢气容易渗透多种材料，使其难以封存，并在大规模能源系统中构成稳定性挑战，特别是那些基于燃烧技术的系统[2,3]。此外，氢气宽的可燃极限、较低的点火能量以及较高的火焰传播速度使其比传统燃料更难处理[4]。凭借其高氢含量以及成熟的生产和储运基础设施，氨已成为一种有前景的氢能源载体[5]。此外，液态氨比压缩氢气具有更高的体积能量密度，且可在相对较低的压力下储存，使其成为大规模能源储存和运输的有吸引力选择[6]。根据Qu等人[7]的研究，氨作为零碳燃料，在支持内燃机领域脱碳方面具有巨大潜力，被认为是未来发动机应用中最有前景的候选燃料之一。然而，氨的低层流燃烧速度和高自燃温度显著阻碍了氨燃料发动机的发展。因此，实现NH?的可靠点火和稳定燃烧仍然是主要研究挑战[8]。克服这些限制的最有效方法之一是使用柴油燃料作为引燃燃料来引发并稳定氨的燃烧。尽管如此，未燃烧氨（NH?逸出）排放增加以及燃烧不稳定——特别是在高负载运行条件下——仍然是限制氨燃料发动机发展的主要技术挑战。压燃发动机通常提供比点燃式（SI）发动机更高的功率密度，因此广泛应用于道路交通、船舶推进和发电领域[6]。然而近年来，由于柴油发动机相对较高的烟尘和NOx综合排放，其被视为不如汽油发动机环保[9,10]。通过采用零碳燃料（如氨）可以实现柴油发动机的脱碳[11]。

目前，氨被认为是减少用于海运和发电领域的大缸径内燃机温室气体排放的最有前景的解决方案之一[12]。根据Xu等人[13]的研究，氨已成为船用发动机最有前景的替代燃料之一。船舶领域对氨日益增长的兴趣主要归因于其化学稳定性以及燃烧过程中不产生直接二氧化碳排放[14]。如前所述，氨在内燃机（特别是压燃发动机）中应用的两个主要障碍是其高自燃温度和低层流燃烧速度——后者源于氨燃烧固有的缓慢化学动力学。这些限制要求必须将NH?与更具反应性的燃料结合使用，以促进点火并稳定燃烧过程[15,16]。氨可以在双燃料运行模式下与柴油燃料或任何其他自燃温度较低的燃料共同燃烧，从而大幅减少碳基排放[11]。为克服氨在SI和CI发动机中的点火限制，已提出多种策略，包括提高火花点火能量[17]、应用发动机增压（涡轮增压或机械增压）[18]以及采用双燃料燃烧策略引入第二种燃料[19]。在这些方法中，双燃料概念——即氨-空气混合物的燃烧由引燃柴油喷射引发——被广泛认为是氨燃料压燃发动机最有前景的解决方案。在这种构型中，NH?与高反应性引燃燃料（通常为柴油）共同燃烧，以确保可靠点火和稳定燃烧[20]。

目前，有两种主要方法将氨供给发动机燃烧室：进气道燃油喷射（氨被引入进气道）和直接喷射（氨被直接喷射入气缸）（图1）。在这两种情况下，氨-柴油双燃料发动机通常面临氨与柴油相比体积能量密度显著较低、热效率有限以及氮化物污染物排放高——特别是在高氨替代率条件下——等问题[7]。PFI氨喷射概念代表了一种更简单、更具成本效益的方法；然而，它无法完全控制替代燃料的供给量和喷射时机。尽管如此，由于其实施更为简便且在当前研发活动中应用更广泛，基于PFI的氨供给系统仍然是研究更为普遍的解决方案。因此，本研究聚焦于该技术。

现有文献提供了众多关于采用进气道喷射氨技术在压燃发动机中进行氨-柴油共燃研究的实例。Xu等人[13]开展了实验和数值研究，以了解燃烧过程、污染物及温室气体（GHG）形成机制，以及喷嘴配置和喷射正时对氨-柴油双燃料发动机性能的影响。作者提出了针对氨燃料反应性控制压燃（RCCI）发动机运行条件和喷射策略的改进方案，所提出的运行和喷射策略实现了CO、GHG和CO?排放的降低。Chen R.等人[21]研究了在部分负荷条件下运行的一台涡轮增压氨-柴油双燃料发动机在0%至90%氨能量份额范围内的NO+NO?、N?O和未燃烧NH?排放。结果表明，未燃烧氨排放随氨含量增加而升高，但随发动机负载和转速增加而降低。NO+NO?排放趋势对氨含量呈非线性依赖关系，而N?O排放则需要在运行条件之间进行权衡，以实现燃烧性能与排放降低之间的最佳平衡。Nadimi等人[22]的研究表明，双燃料发动机在满载运行时，总输入能量中高达84.2%可由氨提供。增加氨能量份额缩短了燃烧持续期并使燃烧相位提前，同时显著减少了CO?、CO和颗粒物（PM）排放。此外，还改善了热效率。然而，这些效益伴随着NOx排放增加和未燃烧氨水平升高。Tutak等人[19]的研究中，氨被用作工业压燃发动机中柴油燃料的替代燃料，该发动机在稳态、满载条件下运行。氨能量份额变化范围为0%至55%。结果表明，NH?的加入不会导致缸内压力显著增加，并改善了燃烧效率。观察到峰值放热率升高。将NH?能量份额增加至23%时着火延迟期略有缩短；然而，进一步增加氨含量则导致着火延迟延长。燃烧持续期也随氨替代率增加而延长。添加氨对单位能量消耗、发动机效率和烟尘排放产生了积极影响。Jamrozik和Tutak[23]进行了对比研究，评估32%替代燃料份额（氨和氢）对满载条件下工业双燃料柴油发动机性能、燃烧稳定性和排放的影响。对于氨-柴油双燃料发动机，在NH?能量份额为32%时获得了最有利的运行条件。对于氢-柴油双燃料发动机，最佳H?能量份额确定为24%。在另一项研究中，Jamrozik等人[24]证明，将氨能量份额增加至42%可改善柴油发动机热效率，同时降低单位能量消耗和单位烟尘排放。Okumus等人[25]研究了喷射正时和压缩比对满载条件下氨-柴油发动机性能和排放的影响。结果表明，随着氨含量增加，发动机功率下降，在氨份额为60%时功率输出最低。通过提高压缩比可改善发动机功率和热效率。增加NH?能量份额导致CO?排放显著减少，同时NO排放增加。Pei等人[26]研究了在不同发动机负载条件下，氨能量份额高达60%的氨-柴油双燃料发动机喷射策略对燃烧过程的影响。

结果表明，通过先进的柴油喷射定时策略可以实现较高的热效率，尤其是在低负荷工况下。在中高负荷工况下，柴油喷射提前的程度有所减小，点火由接近上止点（TDC）的辅助柴油喷射来触发。Liu等人[27]在低负荷工况（25%额定负荷）下研究了氨-柴油双燃料燃烧模式。他们研究了氨能量份额（0–60%）、柴油喷射压力和柴油喷射定时对缸内燃烧特性和排放的影响。随着NH3能量份额的增加，缸内最大压力降低，而着火延迟和燃烧持续时间显著增加。氨燃料的引入大幅减少了NOx、烟尘和CO2排放；然而，未燃烧的NH3和N2O排放迅速增加。Zaher等人[28]研究了进气道喷射氨对氨-柴油双燃料发动机温室气体（GHG）和烟尘排放的影响，同样在25%负荷工况下进行。测量结果表明，氨能量份额增加到40%时，CO2排放减少，而N2O排放增加。此外，烟尘排放显著减少，同时平均一次颗粒尺寸和颗粒数浓度也有所降低。Chen等人[29]证实，高氨能量份额（高达90%）会导致燃烧持续时间延长。作者证明，实现有效点火和稳定燃烧需要优化的柴油喷射定时，且该定时根据氨能量份额的不同而有所变化。研究还发现，氨-柴油发动机在高负荷工况下可能出现燃烧爆震；然而，其强度相对较低。在Wang等人[30]的研究中，对75%负荷工况下的氨-柴油双燃料发动机进行了一系列实验测试。他们评估了柴油喷射定时和NH3能量份额在不同负荷工况和恒定发动机转速下对发动机性能和排放的影响。结果表明，NH3能量份额增加到90%时，能够实现稳定发动机运行的柴油喷射定时范围变窄，热效率也降低。尽管如此，氨-柴油双燃料发动机仍保持了稳定运行，在较宽的氨能量份额范围内，COVimep均保持在3%以下。NH3能量份额的增加导致未燃烧的氨排放升高，而CO2+N2O总排放降低。两种排放均随发动机负荷的增加而减少。Cai等人[31]研究了低负荷工况下氨-柴油双燃料发动机的非法规排放，特别关注氰化氢（HCN）。结果表明，添加20%氨会增加着火延迟并延长燃烧持续时间。采用先进的柴油喷射策略显著提高了氨的燃烧效率；然而，对CO、HC、NOx、N2O和HCN排放产生了不利影响。F?rby等人[32]研究了使用氨并辅以极少量正庚烷作为辅助燃料的柴油发动机。氨能量份额从80%变化到98.5%。结果表明，氨能量份额的增加使燃烧效率从81%提高到90%。较高的NH3能量份额降低了未反应的氨排放（NH3滑泄）和N2O排放，增加了NO排放，降低了CO排放，表明辅助燃料的氧化程度有所提高。Yousefi等人[33]对50%负荷工况下的氨-柴油双燃料发动机进行了实验和数值研究，特别关注其温室气体减排潜力。结果表明，氨能量份额的增加会降低双燃料燃烧模式的热效率。氨能量份额从0增加到40%时，NO和CO2排放减少，但N2O排放增加。除了研究氨对氨-柴油发动机性能的影响外，Almanzalawy等人[34]还分析了NH3添加对发动机运行稳定性的影响。作者发现，54%的氨能量份额在满载工况下运行双燃料发动机时不会引起稳定性问题。然而，超过这一阈值会导致发动机运行中出现失火现象。重要的是，低于40%的氨能量份额会增加发动机功率输出，而较高的氨能量份额则导致功率下降。Hari和Ganesan[35]通过COVimep确定，在44.89%的氨能量份额下，氨-柴油双燃料发动机实现了接近稳定性极限的运行。实验表明，氨的添加显著减少了CO2、HC、CO和烟度排放，同时增加了NO排放。Jin等人[36]也研究了0至90%的高氨能量份额。作者结合实验和数值方法考察了NH3能量份额和喷射策略对燃烧特性和排放的影响。发动机在满载工况下进行评估。结果表明，NH3能量份额的增加降低了热效率，大幅增加了未燃烧的氨排放。观察到NO排放减少，N2O排放增加。为了减少温室气体排放并提高效率，采用了解分段喷射策略。一些关于氨在柴油发动机中应用的研究关注的不是纯NH3，而是不同浓度的氨水溶液[37]。Frost等人[38]研究了28%氢氧化铵（NH4OH）溶液份额对压燃发动机燃烧过程的影响。氨溶液份额的增加延长了着火延迟并提高了缸内最高温度；然而，总体上导致了更差的燃烧质量，增加了不完全燃烧产物的数量并降低了颗粒尺寸。较高的缸内最高温度通常与排气中NOx排放的增加相关，尽管燃料结合态氮含量的影响也被识别为一个促成因素。使用柴油燃料和氨的柴油发动机的燃烧过程和排放也通过数值方法进行了广泛研究。Xiao等人[20]开发了数值模型，研究了氨-柴油双燃料发动机的缸内燃烧过程。评估了氨和柴油混合比例对发动机性能和排放的影响。结果表明，氨-柴油混合物中最佳柴油能量份额约为22%。当氨能量份额超过此值时，燃烧出现扰动，导致氨滑泄增加和N2O排放升高。在NH3份额低于78%时，观察到较低的NO和N2O排放以及较高的CO排放。Ali和Lim[39]开发的计算流体力学（CFD）模型被用于模拟可变柴油喷射定时和氨能量份额（高达75%）对氨-柴油双燃料发动机燃烧特性和排放的影响。结果表明，NH3含量的增加降低了缸内最大压力和温度、放热率、总体热效率和发动机功率输出。排放分析表明，较高的氨利用率有助于减少烟尘、一氧化碳、二氧化碳和未燃烧碳氢化合物排放，尽管观察到氮氧化物排放略有增加。Wu等人[40]进行的数值研究表明，燃烧室分割和预燃室的使用可以显著改善氨的燃烧特性。带预燃室的双燃料燃烧概念可以通过缩短燃烧持续时间来克服NH3层流燃烧速度低所带来的局限，并有效提高氨-柴油双燃料发动机的总体有效热效率。尽管本研究未详细讨论直喷氨燃烧模式，但下面简要介绍了几种该技术应用实例。She等人[41]研究了使用柴油燃料和氨的双直喷策略下的燃烧特性和排放。研究重点关注了NH3喷射压力、氨喷射器喷孔直径和压缩比的影响。结果表明，高氨喷射压力和高压缩比是发动机实用应用的关键，而适当的NH3喷射器喷孔直径是满足排放目标的必要条件。Chen等人[42]通过数值模拟研究了多种喷射策略对采用液态氨和柴油双直喷发动机燃烧特性和排放的影响。氨能量份额设定为80%。优化氨喷射定时和NH3喷射压力的结果表明，提前喷射定时和增加喷射压力可以改善燃烧过程。提前喷射定时结合延长喷射持续时间使NOx排放显著减少，降幅超过50%。虽然增加喷射压力可以提高燃烧性能，但也会导致NO排放增加。Zhang等人[43]在二冲程低速发动机中实验验证并评估了氨和柴油燃料的双直喷模式。作者证明，主要来源于氨燃烧的高NOx排放可以通过优化柴油和氨的喷射定时来减轻。Bj?rgen等人[44]研究了以双燃料模式运行的氨-柴油压燃发动机的运行特性，其中液态NH3通过汽油直喷（GDI）喷射器在180 bar压力下直接喷射。测试的氨能量份额为40%、50%和60%。评估了多种燃料喷射配置。最佳配置为氨和柴油同步喷射，该方案提供了最高的燃烧效率、最低的未燃烧NH3排放和最低的N2O排放。然而，该策略导致相对较高的NOx排放。本文对在压燃发动机中利用氨作为燃料的其中一种途径进行了全面的文献综述。分析聚焦于氨经进气道喷射进入发动机气缸、柴油直喷的双燃料燃烧模式。讨论了氨和高活性柴油这两种物化性质显著不同的燃料实现高效燃烧所面临的挑战和风险。此外，本综述概述了氨燃料柴油发动机燃烧技术的当前进展、剩余挑战和未来发展方向。本文的原创贡献在于整合了关于柴油-氨双燃料发动机分散的研究成果，并批判性地评估了氨能量份额、发动机负荷条件、气缸充气系统、燃烧特性、发动机性能和排放之间的关系。所进行的分析识别了现有文献中的共识和分歧，并为未来在压燃发动机中应用氨作为燃料的研究提供了指导。节选章节方法论和研究选择本文精选了16项研究，关注在不同氨能量份额下使用柴油燃料和氨的柴油发动机的燃烧特性、性能、运行稳定性和排放。所审阅的研究展示了用绿色氨替代化石燃料的潜力，绿色氨被认为是一种可再生低碳燃料。研究所考察的氨能量份额在供给发动机的总燃料能量中最高可达95%。发动机实验柴油燃料柴油燃料是一种传统燃料，用于交通运输和工业应用中压燃发动机的动力供应。它是一种高能量密度燃料，低热值超过42 MJ/kg，可实现高发动机效率，通常超过40% [48]。由于要求燃料在发动机气缸内自燃，柴油燃料具有高十六烷值（通常超过51）和相对较低的自燃温度（约230°C）。然而，柴油氨能量份额对柴油-氨双燃料发动机燃烧特性、性能、稳定性和排放的影响本文的文献分析基于16篇精选文章，这些文章研究了氨能量份额对影响内燃机运行的关键参数的影响，包括燃烧特性、发动机性能、运行稳定性和排放。所选研究聚焦于使用进气道喷射氨的柴油-氨双燃料发动机。表3总结了这些研究的最重要发现。未来的挑战氨作为一种工业燃料，在电力和热力产生以及各类车辆发动机的能源载体方面引起了越来越多的关注。尽管这种兴趣日益增长，但仍有重大的技术挑战需要进一步研究和优化氨燃料发动机。NH3作为内燃机燃料的实际应用涉及诸多技术、环境和组织方面的挑战。

最重要的问题

结论与未来研究方向

本文对氨作为燃料在压燃发动机中的一种应用方法进行了全面的文献综述。该分析考虑了双燃料燃烧模式，涉及氨气经进气歧管端口燃油喷射（PFI）以及柴油燃料直接喷射到发动机气缸中。根据所综述的文献，可以得出结论，增加氨的份额通常会导致点火延迟（ID）延长（最高可达100%）。

利益冲突声明：作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响到本文所报告的工作。

Arkadiusz Jamrozik