中国团队发表氨燃料发动机研究成果

近日，上海交大船建学院绿色与智能船舶动力团队在国际权威期刊《Nature Communications》发表了研究成果“Ammonia marine engine design for enhanced efficiency and reduced greenhouse gas emissions”，同时获选为Nature Communications工程组主编精选文章，并得到其Twitter推荐。该工作原创性提出“缸内重整再循环氨燃料发动机”概念，并展示其解决现有技术面临的高未燃氨、高笑气及受限热效率等技术瓶颈的潜力。

2023年7月，国际海事组织IMO正式提出历史性的2050年净零温室气体排放战略，零碳氨燃料被视为最具潜力的替代燃料之一。然而，在进一步推广应用船舶氨燃料发动机之前，仍需解决氨燃料较差燃烧特性导致的高未燃氨、高笑气（N2O）、受限热效率等技术瓶颈问题。在此背景下，研究团队提出“缸内重整再循环氨燃料发动机”概念（In-cylinder reforming gas recirculation，IRGR），即单缸富氨燃烧，做功的同时过量氨热重整制氢并循环至其他气缸，兼顾掺氢燃烧和废气再循环的优势，并较外部重整器免去催化剂使用和重整器能量损失。

图1 “缸内重整再循环氨燃料发动机”概念

为验证该概念的有效性，研究团队开发了含65种组分和344条反应的氨柴化学反应动力学机理，并将其嵌入发动机三维CFD仿真平台。随后，研究团队基于2022年成功点火的95DF氨柴双燃料发动机台架（基础氨发动机）获得实验数据对仿真模型和化学反应动力学机理进行验证，证明了仿真模型在90%高氨能占比下的准确性，并基于此在宽工况范围内对IRGR概念进行系统研究。研究结果显示：与基础氨发动机相比，在90%氨能占比下，IRGR技术可显著提高发动机热效率，并降低80%以上的未燃氨和笑气排放。进一步提高氨能占比至97%，IRGR技术可提高发动机指示热效率15.8%，并降低89.3%的未燃氨排放和91.2%的笑气排放。

图2 不同氨能占比下基础氨发动机和IRGR氨发动机对比

IMO战略也包括在2030年和2040年分别降低20%和70%温室气体排放，对于基础氨发动机而言，即使97%的能量投入由氨燃料提供，仍无法满足2040年70%的温室气体减排目标，主要是因为发动机热效率降低和高温室气体效应的笑气排放生成。而采用IRGR技术由于能够显著提高发动机热效率并降低笑气排放生成，有望助力IMO实现温室气体减排目标。

图3 IRGR技术对IMO温室气体减排战略的潜在贡献