摻氨燃料在四沖程內(nèi)燃機(jī)中的排放特性

楚育純，周 梅，王兆林，陳 錦，胡曉慧，鄭淞生

(廈門(mén)大學(xué)能源學(xué)院，福建廈門(mén)361102)

隨著全球汽車(chē)保有量的不斷增加，化石燃料的消費(fèi)量逐年增長(zhǎng)，化石燃料燃燒產(chǎn)生了大量的污染物，尤其是排放的CO2帶來(lái)了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，與此同時(shí)化石燃料的儲(chǔ)量也越來(lái)越少.在環(huán)境和能源危機(jī)的背景下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)，急需尋找清潔高效的替代燃料.目前適用于內(nèi)燃機(jī)的替代燃料主要有甲醇、乙醇、生物柴油、二甲醚和天然氣等[1-5]，這些替代燃料為碳基燃料，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量CO2，仍需尋找清潔的無(wú)碳燃料.

氫作為主要的無(wú)碳燃料[6]，可由清潔能源制得，從而顯著減少CO2的排放，因此應(yīng)用前景廣闊.氫作為替代燃料的研究已進(jìn)行多年，但由于其理化性質(zhì)的限制，在推廣應(yīng)用方面仍然存在一定的困難.其中氫氣的儲(chǔ)存與運(yùn)輸是氫能技術(shù)推廣的瓶頸問(wèn)題之一.目前高壓儲(chǔ)氫是世界上最常用的氫氣儲(chǔ)存方式之一，但由于氫氣的密度很小，需要很高的儲(chǔ)氫壓力才能達(dá)到一定的體積能量密度，儲(chǔ)氫效率很低[7]，如當(dāng)儲(chǔ)氫壓力為35 MPa、溫度為298 K 時(shí)，存儲(chǔ)每千克的氫氣需要消耗2.2 kWh的電能[8].由于氫氣的體積能量密度小，氫內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)差[9]，而且其N(xiāo)Ox排放更高，對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)的變化十分敏感，這對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)的控制提出了巨大的挑戰(zhàn)[10].此外，氫內(nèi)燃機(jī)還存在早燃、回火、功率下降等問(wèn)題[11]，這些都限制了氫內(nèi)燃機(jī)的大規(guī)模普及.

為此，人們積極探索載氫的無(wú)碳燃料，其中氨就是典型的氫載體.氨可由可再生能源(如光伏、風(fēng)電等)制得，利用可再生能源電解水制氫氣，空氣分離制氮?dú)?，進(jìn)一步合成氨即可獲得零碳排的氨，同時(shí)該過(guò)程還可消納可再生能源棄電[12].表1給出了氫、氨2種無(wú)碳燃料和4種常見(jiàn)碳基燃料的物化及燃燒特性參數(shù)，可以看出：氨是一種富氫物質(zhì)，含氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到17.6%，體積含氫密度為121 kg/m3，分別為液氫和甲基環(huán)己烷(71.1和47.3 kg/m3)的1.7倍和2.6倍[8]，是一種理想的氫載體[2];氨作為一種無(wú)碳燃料，在室溫下易于低壓液化，液化壓力僅為1 MPa，或者在常壓下降溫至-33 ℃液化[15]，比氫氣的儲(chǔ)存更經(jīng)濟(jì)、更安全；氨的辛烷值高達(dá)110，抗爆性能良好，其高燃點(diǎn)大大降低了氨火災(zāi)危險(xiǎn)性，使其成為生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中相對(duì)安全的化學(xué)品.此外，氨還是世界上產(chǎn)量最多的無(wú)機(jī)化合物之一，盡管氨具有一定的毒性，但氨的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸都有完備的基礎(chǔ)設(shè)施支持，這也為氨燃料的推廣打下了良好的基礎(chǔ)[16].

表1 氨與其他燃料的燃燒特性比較[7,13-14]Tab.1 Ammonia combustion characteristics compared with other fuels[7,13-14]

氨作為燃料的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史.早在1960年，美國(guó)航空航天局的X-15型火箭就以氨和液氧作為燃料，飛上太空并創(chuàng)下人類(lèi)航空史上最高時(shí)速紀(jì)錄[17].隨后美國(guó)軍方進(jìn)行了一系列氨燃料內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氨需要部分分解，或者在較高的壓縮比和空氣進(jìn)氣溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)才能正常運(yùn)行[18].

近年來(lái)，為了減少碳排放并推廣氫能，氨燃料的相關(guān)研究逐漸增多，包括在往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用.氨存在火焰溫度低、層流燃燒速度慢、點(diǎn)火能量高、可燃范圍狹窄等問(wèn)題，將氨與其他燃料混合燃燒是改善氨在內(nèi)燃機(jī)中燃燒性能的最佳解決方案之一，助燃劑包括氫、汽油、柴油等常見(jiàn)燃料[2].

以氫作為助燃劑時(shí)，只需使用少量的氫(約占燃料總質(zhì)量的1%)即可提升氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[19].Ryu[20]采用汽油作為氨的助燃劑，將氨氣通過(guò)化油器噴入點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)中，在汽油提供0.6 kW基礎(chǔ)功率的情況下，噴入的氨可以使發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升至2.7 kW，并且CO排放略有降低.Reiter等[14]利用柴油作為引燃劑和助燃劑，在壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上測(cè)試了不同氨-柴油比下的燃料經(jīng)濟(jì)性和尾氣污染物排放情況，在氨提供40%～60%的能量時(shí)燃料整體利用效率較高.鐘紹華等[21]基于Chemkin對(duì)氨-正庚烷混合燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明用正庚烷引燃氨可以降低燃料對(duì)進(jìn)氣溫度、壓縮比等條件的要求.

上述研究所選取的助燃劑雖各有優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的應(yīng)用局限.例如：氫作為燃料時(shí)儲(chǔ)存與運(yùn)輸困難，在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)回火不易控制；柴油、汽油、正庚烷含碳量高，導(dǎo)致CO2和碳煙等排放高.此外由于氨點(diǎn)燃困難，對(duì)氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)低功率條件下的運(yùn)行情況需要特別研究，而當(dāng)前研究人員則對(duì)氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高功率情況下的動(dòng)力性指標(biāo)研究較多.

為了減少傳統(tǒng)汽油、柴油摻氨燃燒的CO2和碳煙排放，一些研究人員采用天然氣和丙烷等低碳烴作為助燃劑.丙烷的含碳量較低，相對(duì)清潔，單位質(zhì)量熱值高于柴油，是一種被廣泛使用的氣態(tài)燃料.本研究采用丙烷作為助燃劑，在保證燃料總熱值不變的情況下，通過(guò)改變?nèi)剂现邪迸c丙烷的熱值比，在不同功率尤其是低功率條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)試了燃料的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和排放特性，并與其他助燃劑的排放特性進(jìn)行了對(duì)比.

1 起燃條件的初步分析

對(duì)于氨燃料在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，若想達(dá)到壓燃效果，經(jīng)過(guò)壓縮后氣缸內(nèi)氣體溫度應(yīng)超過(guò)氨的自燃點(diǎn)(923 K)，這需要較高的壓縮比，因此需要對(duì)壓縮過(guò)程中氣缸內(nèi)空氣的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行估算，防止氨在氣缸中液化.這是由于液化的氨會(huì)形成液滴，導(dǎo)致其與缸內(nèi)空氣的接觸面積減小，造成不完全燃燒從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能.同時(shí)還需防止氨達(dá)到超臨界狀態(tài)，對(duì)燃燒造成不可預(yù)測(cè)的影響.

氣缸壓縮過(guò)程可以視為絕熱壓縮過(guò)程，氣缸內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)關(guān)系為

其中：T為氣缸內(nèi)氣體溫度，K；p為缸內(nèi)壓力，Pa；κ為絕熱指數(shù);ε為壓縮比.依據(jù)該式可以計(jì)算出絕熱壓縮過(guò)程中氣體溫度與壓縮比的關(guān)系，如圖1所示.如果氨采用氣相進(jìn)料，在整個(gè)壓縮過(guò)程中缸內(nèi)氣體溫度與壓力一直處于氨的氣相區(qū)，不會(huì)發(fā)生液化.且壓縮比需達(dá)到52.3以上才能達(dá)到氨的自燃點(diǎn)，此時(shí)壓力為5.29 MPa，未超過(guò)氨的超臨界壓力11.45 MPa.如果采用液相進(jìn)料，即將液氨噴入氣缸，由于液氨的汽化潛熱較大，氣化過(guò)程吸熱會(huì)導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度降低，此時(shí)需要更高的壓縮比才能起燃.而目前大規(guī)模商用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比一般為16～22，遠(yuǎn)低于壓燃氨氣所需要的壓縮比.另外丙烷的自燃點(diǎn)為732 K，壓縮比達(dá)到23時(shí)才能實(shí)現(xiàn)丙烷的壓燃，因此在現(xiàn)有柴油機(jī)的基礎(chǔ)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)氨-丙烷雙燃料的壓燃，仍需要使用微量柴油點(diǎn)燃.

圖1 氣缸內(nèi)氣體溫度與壓縮比的關(guān)系Fig.1Relationship between gas temperature and compress ratio in cylinder

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2Schematic of the experimental setup

2 實(shí)驗(yàn)裝置與過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究在雙燃料發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行氨-丙烷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能和尾氣排放的實(shí)驗(yàn).發(fā)電機(jī)組為HTD-20GF雙燃料發(fā)電機(jī)組，該發(fā)電機(jī)組是在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，保留原有柴油進(jìn)料系統(tǒng)，加裝氣相雙燃料進(jìn)料控制系統(tǒng)和發(fā)電機(jī).發(fā)電機(jī)額定功率20 kW，額定電壓230 V，發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸四沖程直列柴油機(jī)，壓縮比18，總排量3.6 L，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min.該發(fā)電機(jī)組使用少量柴油啟動(dòng)，帶負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下可以使用柴油或者燃?xì)庾鳛槿剂?整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括雙燃料發(fā)電機(jī)組、燃料配比系統(tǒng)、可編程負(fù)載、尾氣檢測(cè)系統(tǒng)等，如圖2所示.來(lái)自氣瓶的氨氣和丙烷經(jīng)過(guò)減壓閥減壓，采用2臺(tái)Sevenstar D07系列質(zhì)量流量控制器控制并測(cè)量氨氣、丙烷的質(zhì)量流量，隨后2種燃?xì)庠诎l(fā)電機(jī)組燃?xì)膺M(jìn)氣口處的比例混合器中混合，然后混合燃料在進(jìn)氣管中與空氣混合后進(jìn)入氣缸燃燒.采用1臺(tái)HORIBA MEXA-584L尾氣檢測(cè)儀對(duì)幾種常見(jiàn)污染物的含量進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，同時(shí)使用熱電偶測(cè)量尾氣溫度.發(fā)電機(jī)組連接2臺(tái)Chroma 63805可編程負(fù)載，精確控制負(fù)載用于發(fā)電機(jī)組的功率測(cè)試.通過(guò)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)控制負(fù)載大小，采集負(fù)載的功率、電壓、電流等參數(shù)，同時(shí)該系統(tǒng)也可以采集氨氣、丙烷、空氣的質(zhì)量流量以及尾氣中常見(jiàn)污染物的排放數(shù)據(jù).

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

其中，w為對(duì)應(yīng)燃?xì)獾馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)，L為對(duì)應(yīng)燃?xì)獾牡臀粺嶂?實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)先燃燒柴油啟動(dòng)，待發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，再緩慢加入丙烷；同時(shí)減小柴油流量，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中柴油流量將一直保持在很低的水平(≤10 mL/min，約占燃料總熱值的4%～6%)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行所需絕大部分能量由丙烷提供.隨后在緩慢增加氨氣的質(zhì)量流量的同時(shí)減少丙烷的質(zhì)量流量，直至達(dá)到設(shè)定的摻氨比.在整個(gè)質(zhì)量流量調(diào)整過(guò)程中需要注意維持發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，燃?xì)赓|(zhì)量流量以及柴油流量的變化速率不應(yīng)過(guò)快，以免發(fā)電機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定影響發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，從而影響排放數(shù)據(jù).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同摻氨比下燃料的比能耗

發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)，一般采用有效燃油消耗率來(lái)表征，其含義是對(duì)應(yīng)單位有效功消耗的燃料質(zhì)量.本研究采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為雙燃料系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)比能耗(BSEC)進(jìn)行比較.同時(shí)為了方便比較丙烷和氨作為燃料時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，將燃料的BSEC定義為消耗特定燃料的熱值除以由該燃料產(chǎn)生的功率輸出，不同摻氨比下發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的BSEC如圖3所示.在摻氨比為10%～30%范圍內(nèi)，氨作為燃料的經(jīng)濟(jì)性比丙烷要好.由于氨的火焰溫度低，摻氨會(huì)使混合燃料的火焰溫度降低，造成部分燃料燃燒不完全，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性下降，如圖3中摻氨比為10%時(shí)丙烷的BSEC比摻氨之前略微升高，但繼續(xù)摻氨可以改善丙烷的燃料經(jīng)濟(jì)性.

圖3 不同摻氨比下各燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)BSECFig.3Engine BSEC for respective fuels under various ammonia blending ratio

3.2 不同摻氨比下NO的排放情況

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的NOx主要包括熱力型和燃料型，其中：熱力型NOx為空氣中的氮在高溫下氧化產(chǎn)生，其反應(yīng)速率與溫度有關(guān)，溫度越高，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱力型NOx越多；燃料型NOx為燃料中含氮化合物在燃燒過(guò)程中氧化產(chǎn)生，主要受燃料含氮量、燃燒過(guò)程溫度等因素的影響.在整個(gè)燃燒過(guò)程中排放的NOx中NO占到總質(zhì)量的90%～95%，因此本研究只分析NO的排放情況.圖4為不同功率和摻氨比下NO的比排放，虛線(xiàn)所示為僅使用柴油時(shí)的NO比排放.可以看到：在未經(jīng)過(guò)尾氣脫硝處理的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NO的排放水平較高，各類(lèi)工況下的排放水平均高于國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)[22]中規(guī)定的2.0 g/(kW·h)，但絕大部分工況下氨-丙烷燃料的NO比排放要低于柴油作為燃料時(shí)的NO比排放，在4 kW、摻氨比為0～30%時(shí)，使用氨-丙烷燃料替代柴油可以有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)的NO比排放.發(fā)動(dòng)機(jī)使用丙烷燃料時(shí)NO的比排放相對(duì)較低，向丙烷中摻入氨氣后，NO比排放隨之升高，但增速隨摻氨比的增高而放緩，如4 kW工況下?lián)桨北冗_(dá)到30%時(shí)NO比排放為26.5 g/(kW·h)，僅比摻氨比10%時(shí)增加了18%.這與文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果一致.分析原因，摻氨會(huì)使燃料中含氮量增加，燃料型NOx生成量增加，這也是尾氣中NO比排放增加的主要原因.另一方面由于氨的火焰溫度低于丙烷，摻氨導(dǎo)致混合燃料的火焰溫度降低，熱力型NOx生成量減少，這是NO比排放曲線(xiàn)增速放緩的主要原因.另外，在摻氨比相同時(shí)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以減少其N(xiāo)O比排放.

圖4 不同功率和摻氨比下尾氣中NO的比排放Fig.4Specific emissions of NO in exhaust under different power and ammonia blending ratio

為了進(jìn)一步研究摻氨比與排放特性間的關(guān)系，本研究還與已有研究中汽油[23]、柴油[16]作為助燃劑時(shí)的排放特性進(jìn)行了對(duì)比，如圖5所示.可以看到：柴油摻氨燃燒與丙烷摻氨燃燒所表現(xiàn)的變化趨勢(shì)是一致的，NO比排放隨著摻氨比的增高而升高.汽油摻氨燃燒則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì).這可能與發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)燃方式有關(guān)，柴油摻氨[16]和丙烷摻氨燃燒的實(shí)驗(yàn)均是在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的，汽油摻氨[23]燃燒的實(shí)驗(yàn)則基于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)；同時(shí)汽油燃燒的摻氨比較高，導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度降低，NO的生成量減少.另外，測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷對(duì)NO的排放也有影響，丙烷和汽油摻氨的實(shí)驗(yàn)功率范圍為1～4 kW，不到測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率的20%，此時(shí)燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒可能不充分，導(dǎo)致燃料型NO增多.柴油摻氨[16]燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)一直在滿(mǎn)功率狀態(tài)下進(jìn)行(40 kW)，其燃燒效率較高，因此NO比排放較低.

圖5 不同助燃劑和摻氨比下尾氣中NO的比排放Fig.5Specific emissions of NO in exhaust under different ammonia blending ratio using various combustion promoter

在目前的商用發(fā)動(dòng)機(jī)上，為了減少尾氣中NO的排放水平，通用的做法是加裝尾氣處理裝置，采用選擇催化還原(SCR)技術(shù)，在催化劑和還原劑的作用下將NOx還原為氮?dú)夂退渲羞€原劑一般是氨或者尿素.對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，加裝SCR尾氣處理設(shè)備還需要額外配置氨儲(chǔ)罐.對(duì)于氨燃料內(nèi)燃機(jī)來(lái)說(shuō)，尾氣處理設(shè)備可以直接利用燃料儲(chǔ)罐中的氨作為還原劑，不需要配置額外的尿素或者氨儲(chǔ)罐.

3.3 不同摻氨比下碳?xì)浠衔?HC)的排放情況

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的HC主要是由于氣缸內(nèi)的燃料未完全燃燒產(chǎn)生的，大多數(shù)未燃燒的HC來(lái)自火焰因熱量損失而熄滅的位置，主要是氣缸與活塞間的間隙.氣缸間隙捕獲的HC量取決于氣缸中的峰值壓力，壓力越大氣缸間隙捕獲的HC量就越多，而且氣態(tài)燃料被捕獲的HC量會(huì)明顯高于液態(tài)燃料.另外，燃料與空氣形成的混合氣過(guò)稀會(huì)導(dǎo)致火焰不能傳播，過(guò)濃會(huì)導(dǎo)致燃料不能自燃，這都將產(chǎn)生HC，但是膨脹和排氣沖程中氣體溫度升高會(huì)氧化一部分HC.圖6顯示了尾氣中HC的比排放隨燃料中摻氨比的變化曲線(xiàn)，虛線(xiàn)所示為僅使用柴油時(shí)HC的比排放.可以看到：使用丙烷作為燃料時(shí)的HC排放水平較高，2 kW 功率下為20.1 g/(kW·h)，遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.46 g/(kW·h).這是由于丙烷作為氣態(tài)燃料，容易被氣缸間隙捕獲從而未能完全燃燒.隨著燃料中摻氨比的增大，燃料中HC含量減少，尾氣HC的比排放水平隨之下降；但由于氨會(huì)使氣缸內(nèi)溫度下降，未被完全氧化的HC會(huì)逐漸增多，二者相互影響使得HC排放曲線(xiàn)降幅趨于平緩.2 kW下?lián)桨北冗_(dá)到30%時(shí)，HC比排放為9.64 g/(kW·h)，約為純丙烷燃料的50%，可見(jiàn)向丙烷中摻入氨氣可以大大減少其HC比排放.相同摻氨比下，發(fā)動(dòng)機(jī)的HC比排放隨著功率的提高而減小，其原因是低功率情況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗量小，燃燒室溫度低，部分燃料未完全燃燒生成HC.另一方面實(shí)驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有空氣流量調(diào)節(jié)裝置，空氣進(jìn)氣量固定.低功率情況下燃料消耗量小，導(dǎo)致混合氣過(guò)稀，火焰在過(guò)稀混合氣區(qū)域傳播過(guò)程中可能會(huì)熄滅，這也會(huì)導(dǎo)致燃料不完全燃燒生成HC.

圖6 不同功率和摻氨比下尾氣中HC的比排放Fig.6Specific emissions of HC in exhaust under different power and ammonia blending ratio

圖7所示為使用不同助燃劑時(shí)尾氣中HC的比排放.柴油和汽油是液體燃料，作為助燃劑時(shí)不易被氣缸間隙捕獲，因此HC比排放水平較低；摻氨燃燒時(shí)由于氨火焰溫度低，摻氨比升高時(shí)氣缸內(nèi)溫度下降，造成部分燃料不完全燃燒，其HC比排放隨摻氨比升高略微增高.而丙烷作為助燃劑時(shí)，氣體燃料更易被氣缸間隙捕獲，因此丙烷摻氨燃燒的HC比排放較高，而隨著摻氨比的提高，燃料的碳含量減小，HC比排放隨之下降.

圖7 不同助燃劑和摻氨比下尾氣中HC的比排放Fig.7Specific emissions of HC in exhaust under different ammonia blending ratio using various combustion promoter

3.4 不同摻氨比下CO的排放情況

圖8 不同功率和摻氨比下尾氣中CO的比排放Fig.8Specific emissions of CO in exhaust under different power and ammonia blending ratio

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生CO主要有兩條途徑，一種是燃料未完全燃燒，燃料中的碳未被徹底氧化而產(chǎn)生的CO；另一種是燃燒產(chǎn)物CO2和H2O在高溫條件下產(chǎn)生熱解反應(yīng)生成的CO.圖8所示為不同功率和摻氨比下CO的比排放，虛線(xiàn)所示為僅使用柴油時(shí)的CO比排放.可以看到：向丙烷中摻入少量氨時(shí)可以略微降低其CO比排放，當(dāng)摻氨比繼續(xù)增大時(shí)反而會(huì)增加CO的比排放，例如4 kW工況下純丙烷燃料的CO比排放為45.3 g/(kW·h)，摻氨比達(dá)到30%時(shí)為45.2 g/(kW·h)，與摻氨之前持平.其原因主要有3個(gè)方面：1) 摻氨使燃料的碳含量下降，CO排放有所減少；2) 氨的空燃比較低，摻氨后的混合燃料理論空燃比降低，而發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中保持空氣進(jìn)量不變，這會(huì)造成空氣相對(duì)過(guò)量，使部分CO轉(zhuǎn)化為CO2，兩種功率下在摻氨比為0～20%的范圍內(nèi)CO比排放有所下降也證明了這兩點(diǎn)；3) 摻氨導(dǎo)致火焰溫度降低，部分燃料燃燒不完全，CO排放因此增多.同時(shí)高功率工況下發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)溫度較高，燃料燃燒較充分，因此高功率工況下的CO比排放較低.

圖9為使用不同助燃劑時(shí)尾氣中CO的比排放，柴油摻氨燃燒實(shí)驗(yàn)[16]的CO比排放明顯高于丙烷摻氨和汽油摻氨的，這可能是由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不同導(dǎo)致的，但其表現(xiàn)出的趨勢(shì)與丙烷和汽油作為助燃劑時(shí)的趨勢(shì)是一致的；在摻氨比不高時(shí)(0～60%),隨著摻氨比的提高，燃料的碳含量減小，CO比排放降低，但氨的加入使火焰溫度降低，導(dǎo)致部分燃料燃燒不完全，這種影響效果在摻氨比不高時(shí)并不顯著，因此柴油摻氨比達(dá)到80%時(shí)CO比排放才有所升高.

圖9 不同助燃劑和摻氨比下尾氣中CO的比排放Fig.9Specific emissions of CO in exhaust under different ammonia blending ratio using various combustion promoter

3.5 不同摻氨比下CO2 的排放情況

圖10 不同功率和摻氨比下尾氣中CO2的排放Fig.10CO2 emissions in exhaust under different power and ammonia blending ratio

圖10所示為不同功率和摻氨比下發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的CO2排放情況，可以看出摻氨后CO2排放水平明顯降低，燃料摻氨比達(dá)到30%時(shí)可減少47%～55%的CO2排放.由此可見(jiàn)摻氨可以顯著降低丙烷的CO2排放.另外，由于丙烷的碳含量比柴油低，不同功率下氨-丙烷雙燃料的整體CO2排放水平均遠(yuǎn)低于柴油.根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可以判斷，從控制CO2排放的角度來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)的摻氨比越高越好，這與摻氨燃燒的主要目的和預(yù)期結(jié)果相符.

4 結(jié) 論

本研究以丙烷作為助燃劑與氨混合燃燒，探討了不同發(fā)動(dòng)機(jī)功率和摻氨比下的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性，主要結(jié)論如下：

1) 使用少量柴油點(diǎn)燃，丙烷作為續(xù)燃劑，可以將氨作為燃料應(yīng)用在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上，摻氨比為30%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，并且可以滿(mǎn)足一定的輸出功率需求.

2) 氨作為燃料的經(jīng)濟(jì)性比丙烷要好，其BSEC小于丙烷，并且摻氨比在20%～30%時(shí)可以改善丙烷的燃料經(jīng)濟(jì)性.

3) 摻氨燃燒可以顯著減少含碳燃料的CO2和HC排放，摻氨比達(dá)到30%時(shí)可以減少丙烷47%～55%的CO2排放.2 kW工況下?lián)桨北冗_(dá)到30%時(shí)，HC比排放為9.64 g/(kW·h)，約為純丙烷燃料的50%.

4) 摻氨燃燒會(huì)增加氨-丙烷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NO比排放，但是高功率情況下，摻氨比達(dá)到30%時(shí)氨-丙烷雙燃料的NO比排放為26.5 g/(kW·h)，低于柴油發(fā)動(dòng)機(jī).此外摻氨燃燒不會(huì)增加CO排放量.