氨柴双燃料高压缩比发动机柴油喷射策略优化

蔡开源，王 志*，刘 奕，陈清楚，齐运亮，林 浩，卢文健，张沈欢，殷 勇

（1. 清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084，中国；2. 东风商用车有限公司技术中心，武汉 430056，中国）

使用低碳或零碳燃料代替现有汽油或柴油已经成为内燃机研究领域实现低碳或零碳的重要研究方向之一。相比于氢，氨(NH3)作为零碳燃料，具有更成熟的生产、制造、储存和销售体系以及成本较低等优势[1]。作为氢的良好载体，氨的氢密度是高压气态氢气的4倍以上[2]。国际能源署(International Energy Agency，IEA)的预测显示，航运在2050年可达到零碳排放，其中氨占总能量需求的45%以上[3]。挪威船级社(Det Norske Veritas，DNV)预测在2040年至2045年，几乎所有新生产的船舶将以氨作为燃料[4]。在未来动力装置中，氨也能为农机、工程机械、发电机组和重型车辆等运输装备实现碳中和奠定基础。

氨由于着火温度高，火焰传播速度慢，因此不太适合作为压燃发动机的单一燃料。有研究显示，纯氨发动机要求发动机的压缩比高于35:1[5]。采用高活性燃料引燃氨能够拓展氨的适用工况。J. T. Gray 等[6]发现，使用柴油能够在压缩比为15.2:1 时引燃氨。A. J. Reiter等[7]在一款约翰迪尔(型号 4045)柴油机上对氨柴双燃料模式开展研究。综合考虑燃烧与排放特性，得出最佳的氨能量替代率在40%～60%。S. S. Gill 等[8]对比了柴油掺混氨气、氢气以及氨气裂解气的燃烧与排放结果。研究表明，添加氨后NOx虽有降低，但生成了大量的N2O。

N2O 是一种温室气体(greenhouse gas, GHG)。美国国家环境保护局(Environmental Protection Agency，EPA)认为：在100 a 的尺度上， 1 m3的N2O 造成的GHG相当于1 m3的CO2造成的GHG 的273 倍[9]。Y. Niki等[10-11]研究了不同燃烧策略对燃烧与排放的影响。……