综述：关于氨发动机系统级集成的全面综述

《Fuel》：A comprehensive review of system-level integration for ammonia engines

碳中和背景下氨燃料发动机技术挑战与优化策略研究。摘要：本文系统综述氨燃料发动机的技术路径，分析其燃烧稳定性低、腐蚀性强等核心挑战，提出通过燃烧策略优化（燃料混合、喷射控制、智能预测）和子系统协同设计（热管理、材料防护）提升热效率与减排效果，并强调后处理技术需重点开发氨逃逸实时监测和N2O特异性催化系统。

　　随着全球变暖威胁的加剧和可持续发展的需求日益增长，交通运输行业正面临从传统内燃机向低碳甚至零碳燃料转型的巨大压力。氨作为一种具有高氢含量、且已有成熟生产和运输基础设施的碳中性能源载体，被认为是化石燃料的有力替代品。然而，氨在发动机中的应用仍然伴随着一系列技术挑战，包括伪零碳排放、火焰传播缓慢、自燃温度较高以及材料腐蚀等问题。为了解决这些挑战，本文对氨燃料发动机的全生命周期环境影响、子系统参数优化以及技术革新进行了系统性综述，旨在实现高效、清洁的燃烧，减少未燃烧氨和有害排放，同时确保系统的长期可靠性。此外，还探讨了燃烧策略优化对发动机性能的影响，涵盖了高活性燃料补充、燃烧室设计、喷射策略优化、进气参数控制以及人工智能燃烧预测等方面。这些策略已被证实能够通过改善燃料混合均匀性、增强热活性氛围以及促进火焰传播，从而提高燃烧稳定性和热效率。本文还强调，当前的尾气处理措施应更加关注氨逃逸的实时监测，并开发针对一氧化二氮（N?O）的专用催化剂，以降低未燃烧氨和N?O排放的水平。通过发动机子系统、燃烧策略和尾气处理系统的协同优化，氨燃料发动机被认为在商业部署方面具有显著潜力，并能够支持实现碳中和目标。

在全球碳中和目标的推动下，交通运输行业对化石燃料的依赖正在增加，尤其是重型车辆、船舶和动力机械等需要高能量密度燃料的领域，这些燃料在短期内难以被纯电化所替代。这一趋势无疑加快了交通行业的脱碳进程。相比于热效率优化或尾气处理技术的进步，燃料替代从源头减少二氧化碳排放，提供了更广泛的碳减排潜力，涵盖了从井口到车轮的整个生命周期。尽管氢被视为一种有前景的替代能源载体，但实现氢基经济仍然高度依赖于安全、高效的储氢技术发展，以克服当前的材料限制。在此背景下，氨被国际社会广泛认可为一种具有巨大发展潜力的零碳能源。作为一种高效的氢载体和存储介质，氨含有高达17.6%的氢，并且可以在需要时分解以供燃料电池或其他局部应用使用。氨的核心优势在于其碳中性特性，可以通过可再生能源驱动的哈伯-博世工艺实现绿色氨的生产，并支持低碳生命周期排放系统。长期存在的工业需求推动了氨生产与运输基础设施的发展，目前，全球已经建立了成熟的液氨储存和运输系统，并广泛应用于农业和工业领域。此外，现有的合成氨产业也可以通过碳捕集技术或用绿色氢替代化石基氢，实现低碳运行，从而促进化学与能源产业的融合。同时，利用可再生能源生产氨，预计能够将风能、太阳能和电能转化为液氨进行长期储存，从而支持区域和季节性的灵活能源分配。

氨的比能量密度为22.5 MJ/kg，接近化石燃料，其体积氢能量密度在经过重整的液态燃料（如甲醇、乙醇、汽油和液化石油气）中排名靠前。在298.15 K和0.9 MPa条件下，氨可以完全液化，其储存成本仅为氢的三分之一，使其更适合长距离运输和大规模能源储存。氨的毒性和可燃性通常被视为其作为可持续燃料应用的限制因素，但这些担忧在适当的安全部署和监测技术下已被大大缓解。作为一种刺激性气体，氨在浓度达到5 ppm时就能被人类察觉，远低于对人体有害的水平。氨具有较高的介电常数，与水相似，其电子结构也与水相近，同时在水中具有高度溶解性。此外，其密度低于空气，有助于在泄漏时迅速扩散，从而增强安全性。除了作为燃料的特性，氨还具有良好的热物理性能，包括可燃性和热容量，使其成为热力学循环中的理想工质。它在制冷、加热、发电以及与内燃机集成方面展现出广泛的应用前景。

除了传统的往复式活塞发动机，氨燃料在紧凑型、燃料适应性强的汪克尔发动机中也显示出良好的应用潜力。汪克尔发动机具有独特的旋转工作原理，其连续压缩过程、燃烧室热负荷的均匀分布以及对爆震的不敏感性，使其特别适合于燃烧速度较慢、自燃温度较高的燃料。Meng等人在汪克尔发动机测试中发现，在富氨氢混合燃料条件下，氨燃料能够实现优异的动力性能和燃油经济性，并且其引入有助于抑制异常燃烧，从而提高运行稳定性。相比于传统内燃机，汪克尔发动机对氨等燃烧速度较慢的燃料具有更强的适应能力。其较长的燃烧路径、较高的高温结构耐受性以及可实现的分区燃烧特性，有助于缓解氨燃烧过程中的点火困难和不完全燃烧问题。此外，汪克尔发动机结构简单、体积小、功率密度高，且没有复杂的组件如阀门或汽缸盖，这有助于简化高腐蚀性氨燃料在密封和热管理方面的工程设计。因此，汪克尔发动机被视为氨等慢速燃烧燃料的理想平台，特别是在需要紧凑体积和燃料多样性应用的场景中。研究表明，原本设计用于化石燃料的内燃机仅需少量修改即可运行于氨燃料上。尽管氨的体积能量含量低于汽油和柴油，但可以通过增加喷射量来弥补这一缺点。实验结果表明，当氨替代汽油或柴油时，发动机输出功率和热效率可以接近理论预期。此外，理想的液态燃料通常需要较高的十六烷值，而气态燃料则受益于较高的辛烷值。氨具有较高的辛烷值（RON）约为130，这有助于抑制发动机爆震，允许在高压缩比下稳定运行，从而提高热效率。

氨可以以气态和液态形式供给内燃机，常见的供给方式包括预混燃烧、进气道喷射、直接喷射、液氨供给以及氨水溶液喷射。在双燃料系统中，气态氨通常作为主要能源，而柴油等液态燃料则主要用于启动点火和稳定燃烧。然而，氨的固有物理化学性质对高效燃烧提出了挑战，往往导致燃烧过程中热释放延迟和热效率低于传统柴油发动机。实验研究表明，在柴油贡献约40-60%总能量输入的情况下，通常可以实现稳定的燃烧。超出这一范围则会增加不完全燃烧和单位能量消耗的风险。提高氨的能源占比虽然有助于减少二氧化碳排放，但也可能导致指示平均有效压力下降，同时增加燃烧的变异系数（COV），从而影响发动机的稳定性。此外，其他温室气体如甲烷（CH?）和一氧化二氮（N?O）的排放也可能增加，且不同污染物之间通常存在权衡关系。实现高氨替代比例需要先进的燃烧控制策略，以最小化未燃烧氨泄漏，同时维持发动机的稳定运行并满足排放标准。

尽管氨通常被视为一种有前景的碳氢燃料替代品，但其物理化学特性对在内燃机中的应用提出了重大挑战，需要针对性的解决方案以实现其可持续应用。氨分子由于氮和氢之间的电负性差异及其三角锥形结构，表现出较强的极性。氮原子上的孤电子对有助于与铜等金属形成复杂化合物，这显著增加了其腐蚀性。这种配位效应降低了金属的电化学势，增强了其化学活性，从而加速了腐蚀过程。高浓度的氨对铜、锌等金属具有特别的腐蚀性，而钢材则通常表现出更好的抗腐蚀能力。氨在环境中的腐蚀行为受到浓度、温度和暴露时间等因素的影响，可能导致密封件的降解、燃料管路和密封件的失效以及汽缸套的磨损加剧。在潮湿环境中，氨倾向于形成氨溶液，进一步加速腐蚀，而水分可能通过燃料、燃烧产物或气体扫除过程引入。此外，腐蚀环境与动态载荷的耦合会增加汽缸套疲劳断裂的风险，这需要使用不锈钢或特殊涂层材料。同时，与腐蚀相关的降解可能导致氨泄漏。尽管氨的可燃极限比氢更窄且更安全，但其安全使用仍需要高度敏感的检测系统和健全的应急响应机制。

当前关于氨燃料发动机的研究主要集中在优化燃烧过程和控制策略上。然而，基于单一变量的改进往往受到系统级耦合效应的限制。例如，提高氨替代比例会改变燃料-空气混合物的热容和燃烧延迟，进而影响冷却负荷、点火要求以及未燃烧氨的排放倾向。同样，氨在润滑油中的积累可能加速腐蚀和磨损，导致燃烧密封受损和排放性能下降。因此，不考虑系统集成的研究往往高估了单一技术的有效性，同时低估了系统级交互所施加的限制。尽管氨燃料发动机与传统内燃机在结构上具有相似性，但它们在点火稳定性、燃烧效率和温室气体排放控制方面仍面临显著挑战。因此，提高氨燃烧的稳定性和热效率已成为当前研究的核心重点。迄今为止，大多数研究集中在高氨能量占比下的燃烧和排放特性上。为克服现有的技术瓶颈，本文系统地总结了近期氨燃料发动机研究的进展，涵盖子系统优化、燃料改良和先进的燃烧策略。同时，本文分析了氨燃料应用的核心技术挑战，并概述了实现安全、高效和清洁燃烧的未来研究方向。本研究旨在为氨燃料发动机的开发和工程应用提供理论支持和实践指导。