在高负荷条件下，氨柴油双燃料中型船用发动机的燃烧特性与排放特性

《Fuel》：Combustion and emission characteristics of an ammonia diesel dual-fuel medium-speed marine engine under high-load conditions

本研究以270mm缸径船用氨-柴油单缸中速发动机为平台，探究高负荷（18.6 bar）下空气燃料比（AER）与负荷比（λ）对燃烧特性及NH3、NOx、N2O排放的影响。结果表明：AER最大可达86%，此时缸压峰值、温度及压力升高率显著提升，热效率总体优于柴油模式；λ升高导致NH3排放和逃逸率增加，NOx排放先升后降，N2O持续减少，同时λ降低可有效抑制CO2和等量CO2排放。

　　近年来，随着全球对减少温室气体排放的关注日益增加，国际海事组织（IMO）在2023年7月修订了减少船舶温室气体排放的战略，将实现净零排放的目标提前至2050年前后。这一变化为船舶动力系统的脱碳进程带来了前所未有的紧迫性。与此同时，2025年4月，IMO通过了首个全球航运业的净零排放框架，预计将在2025年10月正式采纳，并于2027年开始实施。该框架的出台标志着航运业向零排放技术转型的加速，也推动了氨作为未来零碳燃料的广泛应用。

氨作为一种零碳燃料，其燃烧过程中不会产生二氧化碳，仅生成氮气和水。这种特性使其成为实现船舶脱碳的重要候选之一。此外，氨的储存条件相对较为温和，可以在常压下于-33°C液化，或在常温下以9巴压力储存，这为其在船舶动力系统中的应用提供了便利。国际能源署（IEA）在2023年9月预测，到2050年，氨将占终端能源消耗的44%。美国船级社（ABS）在2024年6月进一步指出，到2050年，化石燃料的市场份额将下降至15%，而氨的占比将达到33%。DNV的《2050年海事展望》（第七版）则预测，低/零碳燃料将占航运能源的84%，其中氨的贡献比例为36%。劳氏船级社（LR）在其《未来海事燃料》报告中强调，蓝氨和绿氨有望在2050年前后共同占据海事燃料市场的20%-60%（平均为46%），并认为绿氨是目前最具扩展性的零碳燃料选项。这些预测表明，氨动力技术已成为航运脱碳的核心方向。

尽管氨作为零碳燃料展现出巨大的潜力，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，氨的自燃温度较高，超过650°C，这使得其在柴油机中难以直接点燃，通常需要依赖高反应性的柴油作为辅助燃料。其次，氨的点火能量需求较大，传统火花点火系统可能无法满足其点火要求，需采用高能量点火方式。此外，氨的火焰传播速度较慢，约为7-8厘米/秒，仅为传统碳氢燃料的五分之一，这限制了其在高负荷条件下的燃烧效率。同时，氨的低位热值（LHV）仅为18.5兆焦耳/千克，不到柴油的一半，因此需要更大的燃料供给量以维持相同的输出功率。实验研究表明，纯氨燃烧需要压缩比超过35:1才能实现稳定的点火，这在现有柴油机设计中难以实现。

鉴于上述挑战，氨-柴油双燃料发动机成为研究热点。该技术通过在现有柴油机平台上进行燃料供给系统的改造，实现氨-空气混合物在气缸内的稳定燃烧。柴油不仅作为点火源，还作为活性自由基载体，对混合气的形成、气缸内的热化学条件以及反应路径起到关键作用。目前，氨-柴油双燃料发动机主要采用两种技术路径：低压喷射（LPDF）和高压喷射（HPDF）。其中，LPDF系统因对发动机结构改动较小、喷射系统较为简单以及工程适应性更强，成为当前研究的主要方向。

在小型缸径的氨-柴油双燃料发动机研究方面，已有大量成果。Reiter等人对不同氨替代比例下的燃烧与排放特性进行了系统研究，揭示了在恒定负荷和变负荷条件下氨燃烧行为的变化规律。Niki等人首次阐明了氨发动机中氮氧化物（NOx）排放的形成机制，并提出通过优化柴油喷射策略可有效降低NOx和氨的排放。Yousefi等人结合仿真与实验验证，进一步揭示了柴油喷射策略对燃烧效率和污染物生成的影响。Imamori等人在92毫米缸径的发动机平台上实现了94%的氨能量比，并实现了82%的温室气体减排。Hiraoka等人则通过实验与模拟相结合的方式，研究了不同氨混合比例和过量空气系数（AER）条件下的燃烧性能，并建立了零维化学动力学模拟与三维计算流体力学（CFD）分析相结合的排放φ-T图，为氨发动机的优化设计提供了理论支持。Mi等人对不同氨能量比下的柴油喷射策略进行了比较分析，发现高转速条件下实现超高氨替代比例（>80%）存在显著困难。

然而，针对大型缸径的氨-柴油双燃料发动机的研究仍处于探索阶段。Xu等人基于瓦锡兰W32DF天然气双燃料发动机平台，对比研究了氨-柴油与天然气-柴油的燃烧性能。在最大负荷条件下（IMEP为10.17巴），他们发现氨燃料在等效柴油能量比下的发动机效率显著下降，并提出了优化喷射策略以提高燃烧稳定性。Qian等人则基于230毫米缸径的中速发动机平台，通过模拟分析了不同负荷（0-45%氨能量比）和柴油喷射时机对气缸内燃烧过程及污染物排放的影响。在工业应用方面，IHI Power Systems Co., Ltd.于2023年5月完成了280毫米缸径中速氨燃料发动机的陆地测试，实现了80%的氨替代比例。瓦锡兰公司则在2023年11月推出了全球首款四冲程氨-柴油发动机产品（W25 Ammonia），展示了70%的温室气体减排能力。尽管这些进展为氨燃料在航运领域的应用提供了重要参考，但关于大型缸径氨-柴油发动机燃烧与排放特性的系统性研究仍较为有限，缺乏详细的参数分析和实验数据支持。

总体来看，虽然在小型缸径的氨-柴油双燃料发动机方面已有较为丰富的研究成果，但针对大型缸径氨发动机，尤其是在高AER（>80%）和高负荷（IMEP≥18巴）条件下的研究仍显不足。目前，关于AER临界阈值和排放行为的结论存在不一致，例如Imamori等人实现了94%的AER，而Mi等人则发现超过80%的AER在高转速条件下难以稳定燃烧。同时，不同研究对NOx排放随AER变化的趋势也存在分歧，有的研究显示NOx排放随AER增加而上升，而有的研究则指出其呈下降趋势，这表明氮氧化物生成路径仍存在争议。

过量空气系数（AER）对氨发动机的燃烧特性和排放性能具有重要影响。AER的调整不仅影响混合气的形成和燃烧过程，还直接关系到污染物的生成路径。在本研究中，以270毫米缸径的氨-柴油双燃料单缸中速发动机为研究对象，在高负荷条件下（IMEP=18.6巴）系统研究了AER和λ对燃烧特性、热效率以及关键排放物（如NH3、NOx和N2O）的影响，旨在填补大型缸径氨-柴油发动机基础研究的空白，并为船舶动力系统的低碳设计提供理论支持和实验数据。

实验结果表明，在氨模式下，AER的增加有助于实现稳定燃烧，最高可达86%。随着AER的提高，气缸内的峰值压力、温度和压力上升率均有所增加，而热效率呈现出非线性变化趋势，整体上优于柴油模式。值得注意的是，尽管AER的增加提高了燃烧强度，但同时也导致了总氨排放量的上升，而逃逸率（定义为氨排放量与供给氨质量流量的比值）则有所下降。此外，NOx排放量在AER增加初期有所降低，但随后又上升，而N2O的排放量则随着AER的增加持续下降。这表明，AER对不同污染物的影响机制存在差异，需要进一步研究其作用机理。

在λ（空燃比）的影响方面，实验结果显示，λ对气缸内峰值压力和压力上升率的影响有限，但在低λ条件下，λ的增加显著降低了峰值温度和热效率。同时，λ的增加导致了氨排放量和逃逸率的上升，NOx排放量在λ增加初期上升，随后下降，而N2O的排放量则持续增加。这些结果表明，λ在控制燃烧过程和污染物生成方面具有重要作用，特别是在高AER条件下，λ的优化对于实现高效低排放的燃烧至关重要。此外，λ的增加有助于降低CO2和等效CO2排放，这为氨燃料在航运领域的应用提供了新的思路。

研究还指出，柴油喷射策略对氨燃烧效率和排放性能具有显著影响。足够的柴油喷雾覆盖率可以提高氨的燃烧效率，并减少未燃烧氨的排放。然而，在大型缸径发动机中，特别是在高负荷条件下，柴油喷雾往往存在“穿透不足”的问题，无法有效覆盖气缸的边缘区域，这导致了局部区域的不完全燃烧，进而影响整体燃烧效率和排放性能。相比之下，小型缸径发动机的喷雾分布更为均匀，能够形成有效的点火源。因此，大型缸径发动机在高AER条件下的燃烧稳定性可能受到限制，这种现象在小型缸径研究中未能完全体现，可能与缩放效应有关。

此外，研究还发现，较低的发动机转速有助于提高氨的燃烧稳定性。由于大型缸径发动机通常运行在较低的转速范围内，这可能为其实现高AER操作提供了有利条件。然而，氨-柴油双燃料发动机在运行过程中仍主要依赖化学动力学过程进行点火，其燃烧特性对气缸内的热力学条件高度敏感。因此，大型缸径发动机的AER操作极限不能简单地从小型缸径研究中推断，必须通过实验研究来明确其关键参数和运行机制。

综上所述，本研究通过实验手段，系统分析了AER和λ对大型缸径氨-柴油双燃料发动机燃烧特性和排放性能的影响。研究结果不仅揭示了氨燃料在高负荷条件下的燃烧行为，还为氨燃料在船舶动力系统中的应用提供了重要的理论支持和实验数据。未来的研究应进一步探索不同AER和λ条件下的燃烧机制，优化柴油喷射策略，提高氨燃烧的稳定性和效率，同时降低污染物排放，以推动氨燃料在航运领域的广泛应用。此外，还需要加强对大型缸径发动机在不同工况下的性能研究，为实际工程应用提供更全面的技术支持。