隨著全球氣候變暖等問題的加劇，減少二氧化碳等溫室氣體的排放已經(jīng)成為國際社會的共識，《巴黎協(xié)定》也成為國際社會合作應(yīng)對全球挑戰(zhàn)的范例。2020年9月，中國明確提出碳達峰、碳中和的“雙碳”目標，目前正在積極推進和落實。

在此過程中，以柴油機為代表的大功率內(nèi)燃機受到了廣泛關(guān)注。作為一類具有重要地位的動力設(shè)備，大功率內(nèi)燃機在交通運輸（如船舶運輸）、工程機械、農(nóng)用機械、陸用電站等場景有著廣泛的應(yīng)用，對推動經(jīng)濟和社會發(fā)展貢獻巨大，但作為能源消耗“大戶”，也是二氧化碳排放的主要來源之一。有數(shù)據(jù)顯示，能源及與能源相關(guān)的碳排放占我國碳排放總量的80%以上。就目前來看，無論采取何種技術(shù)，采用化石燃料的大功率內(nèi)燃機都難以滿足碳中和的要求。因此，轉(zhuǎn)而發(fā)展和利用以氨為主的零碳燃料將成為踐行“雙碳”目標的重要路徑之一。

當前，氨燃料內(nèi)燃機普遍需要借助5%～15%能量比的柴油來進行引燃，以使其能夠正常工作，并未從根本上解決碳排放問題；同時，受限于氨燃料的燃燒特性，氨燃料內(nèi)燃機的功率輸出低、熱效率低，難以滿足市場需求。而其研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)主要在于：對內(nèi)燃機條件下的氨燃料著火和燃燒穩(wěn)定性機理的理解尚不充分；現(xiàn)有熱力循環(huán)難以滿足氨燃料高能著火與高效燃燒的需要；缺少適用于氨燃料壓燃應(yīng)用的內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)等。因此，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，自主開發(fā)零碳排放、高功率密度高效氨燃料內(nèi)燃機，是我國自主研發(fā)大功率氨燃料內(nèi)燃機的重要組成部分，對發(fā)展氨燃料高效清潔燃燒與熱力循環(huán)理論具有重要科學意義，并將為我國實現(xiàn)“雙碳”目標提供重要助力。哈爾濱工程大學動力與能源工程學院劉龍教授團隊（以下簡稱“團隊”）針對氨燃料內(nèi)燃機應(yīng)用路徑開展了一系列探索研究，并創(chuàng)新研發(fā)了兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機。

氨燃料內(nèi)燃機燃燒理論與技術(shù)探索

氨燃料具有著火點高、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷⑿镣橹蹈叩奶匦?，?yīng)用于內(nèi)燃機往往需要400開爾文以上的進氣溫度和30以上的壓縮比。普通的熱力循環(huán)和內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)無法滿足上述要求，因而通常采用活性氛圍、預混、預燃等手段來實現(xiàn)更好的燃燒效果。團隊針對氨燃料內(nèi)燃機的燃燒理論與技術(shù)路徑進行了探索研究，填補了大功率內(nèi)燃機大空間尺度條件下氨燃料急速穩(wěn)定燃燒理論與技術(shù)的空白。

氨燃料智能寬閾燃燒機理

大功率內(nèi)燃機具有工作條件高、成本高的特點，這使得在氨燃料內(nèi)燃機的研制過程中需要進行大量的計算流體動力學仿真。而計算流體動力學模擬的發(fā)展則大多受到精度和計算速度的制約，例如，完成單個工況的完全燃燒計算一般至少需要耗費48小時。這就對氨燃燒機理的準確性和簡潔性提出了很高的要求。值得注意的是，氨燃料船舶內(nèi)燃機的壓縮燃燒條件往往能夠達到2000開爾文和10兆帕以上，而目前實驗數(shù)據(jù)中的最高壓力僅約為7.5兆帕，無法滿足化學反應(yīng)動力學標定的要求。為了解決在某些條件下氨燃燒實驗數(shù)據(jù)缺乏的問題，特別是在船舶動力所需的高壓條件下，團隊提出了智能寬閾機理模型。該模型通過采用進化算法與深度學習相結(jié)合的方法，擴展了現(xiàn)有高壓下化學反應(yīng)機理的預測模擬功能，增強了氨燃料機理模型的預測范圍和精度，解決了船舶內(nèi)燃機條件下氨燃料機理模型的適用性問題。

基于活性控制的氨燃料內(nèi)燃機燃燒技術(shù)

團隊在內(nèi)燃機上分別探索研究了氨與高活性碳基燃料（柴油）、氫、添加劑（亞硝酸銨）結(jié)合后的燃燒表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整添加活性燃料或添加劑的比例，可以優(yōu)化混合燃料的整體活性，進而實現(xiàn)氨燃料內(nèi)燃機的穩(wěn)定燃燒，并達到典型的船舶功率范圍。為了揭示氨燃料與活性燃料耦合燃燒交互作用的機理，團隊通過對燃燒過程進行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)了影響燃燒特性的混合物、關(guān)鍵方程和自由基；又通過對關(guān)鍵自由基生產(chǎn)率進行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)混合燃料的點火性能得到改善的主要原因在于：活性燃料的加入為燃燒初期提供了所需的活性自由基的濃度，促進了羥基自由基的快速產(chǎn)生，從而加快了氨氣（NH3）的燃燒。團隊的這一研究填補了大空間尺度條件下氨燃料急速穩(wěn)定燃燒控制理論的空白。

氨燃料內(nèi)燃機壓燃模式探索

在了解氨燃料燃燒的潛力后，團隊基于前期對氨與高活性燃料或添加劑摻燒的探索結(jié)果，發(fā)現(xiàn)火花點火或直接壓縮點火在大缸徑內(nèi)燃機中具有一定的應(yīng)用局限性。為解決點火困難問題，團隊采用了預燃室燃燒先導噴射火焰的方式，有效降低了氨燃料對點火能量的高需求；并提出了一種用氫氣射流火焰點燃氨燃料的方案，實驗結(jié)果表明該方案可實現(xiàn)大功率內(nèi)燃機的正常滿載功率輸出。氫氣射流火焰為氣缸帶來了燃燒所需的溫度和活性氛圍，特別是高濃度的氫自由基，這有助于建立燃燒所需的羥基自由基和氧自由基的條件，有效促進氨的早期燃燒。在某些工況下，通過優(yōu)化氫射流火焰的點火時間，氮氧化物（NOx）排放能夠達到國際海事組織（IMO）第三階段（Tier III）法規(guī)的要求。該方案具有良好的排放優(yōu)化效果，同時也能獲得相對更好的功率輸出和內(nèi)燃機性能。此外，針對不同類型的摻燒燃料（柴油、氫、添加劑等），團隊在氨燃料內(nèi)燃機上對燃燒控制策略、燃料噴射策略等一系列急速穩(wěn)定燃燒路徑進行了探索研究，豐富了氨燃料內(nèi)燃機的燃燒控制方案，填補了氨作為燃料從理論到實際的應(yīng)用策略空白。

氨燃料燃燒路徑總結(jié)

氨燃料內(nèi)燃機技術(shù)概況如圖1所示。目前，氨燃料在內(nèi)燃機中應(yīng)用面臨的問題大致可歸結(jié)為：其一，氨燃料的燃燒機理不完全，燃燒技術(shù)不成熟，氨的熱值低，燃料耗費相對更多；其二，氨燃料的火焰速度慢，點火困難，內(nèi)燃機壓縮比高，導致內(nèi)燃機整體尺寸大，因此僅適用于中、大功率內(nèi)燃機，難以用于小空間大功率內(nèi)燃機；其三，氨燃料燃燒排放的氮氧化物濃度較高。在未來的發(fā)展中，氨燃料可與其他燃料（如氫燃料）一同燃燒；氨燃料還可采用火花點火技術(shù)，通過改變噴射正時、多次噴射、燃燒模式等策略，在提高熱效率的同時降低氮氧化物排放；氨燃料在生產(chǎn)和運輸中的應(yīng)用也應(yīng)得到更多關(guān)注，目前廣泛使用的氨生產(chǎn)工藝也需向綠色氨方向轉(zhuǎn)型?？傮w來看，氨燃料內(nèi)燃機進一步發(fā)展的重點在于改進燃燒機理、優(yōu)化燃燒策略、開發(fā)新的內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)，使氨得到充分燃燒。此外，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機只需稍加改動（如壓縮比和燃油運輸管路），解決氨腐蝕等問題，就能以氨氣作為燃料運行。未來，氨燃料有望替代傳統(tǒng)化石燃料，成為中、大功率內(nèi)燃機燃料應(yīng)用的主流。

兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機概述

開發(fā)燃料分缸重整活性壓燃技術(shù)，實現(xiàn)了氨燃料直接壓燃；提出了直線“雙缸”熱力循環(huán)理論和技術(shù)，顛覆了現(xiàn)有內(nèi)燃機的熱力循環(huán)方式和結(jié)構(gòu)；獲得了氨燃料高效穩(wěn)定燃燒機理和控制機制；最終，形成了兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機，讓大功率內(nèi)燃機“吃”得更健康、更安全，動力輸出更強勁。

兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機包括直線發(fā)電機組一套和集成在其左右兩側(cè)的內(nèi)燃氣缸組各一套（見圖2）。直線發(fā)電機組由殼體、動子芯軸、定子線圈和發(fā)電機動子組成。每套內(nèi)燃氣缸組由一個高壓氣缸和一個低壓氣缸組成，高壓氣缸包括高壓活塞、噴油器和閥組，而低壓氣缸僅包括低壓活塞和閥組。低壓氣缸與高壓氣缸間設(shè)置有中冷器和廢氣連通管等結(jié)構(gòu)，并通過不同閥口連接。高壓活塞和低壓活塞通過連接軸與直線電機集成固接，實現(xiàn)同步運動，并按照如表1所示的循環(huán)進行穩(wěn)定工作。

兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機的三大技術(shù)創(chuàng)新

兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機的穩(wěn)定運行和高效工作離不開其采用的三大關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。

一是氨燃料高爆壓定壓壓燃技術(shù)。團隊提出了氨燃料活性催化燃燒模式和基于脈沖噴油策略控制的定壓燃燒技術(shù)，降低了氨燃料壓縮著火的邊界壓力和爆發(fā)壓力，在提高熱效率的同時滿足了內(nèi)燃機對強度的要求。

具體而言，團隊首先揭示了活性氛圍與熱氛圍條件下氨燃料壓燃機理?；诎比剂匣瘜W反應(yīng)動力學，結(jié)合缸內(nèi)重整燃燒技術(shù)，利用氫氣或亞硝酸銨等活性催化劑的催化作用，降低了氨燃料壓縮著火的邊界壓力和爆發(fā)壓力（見圖3），無需引燃即可實現(xiàn)純氨燃料的壓縮著火。同時，開發(fā)的定壓燃燒控制技術(shù)，能夠在壓縮著火始點控制爆發(fā)壓力（例如可將燃燒壓力控制在30兆帕），并通過多次脈沖噴油策略實現(xiàn)定壓燃燒過程控制，限制燃燒壓力的升高，滿足當前內(nèi)燃機制造業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)的爆壓條件。由此，獲得了氨燃料高效穩(wěn)定燃燒機理與控制機制。

二是兩階相繼熱力循環(huán)技術(shù)。團隊提出了新型兩階段熱力循環(huán)，通過分缸相繼壓縮和膨脹，顛覆了傳統(tǒng)內(nèi)燃機循環(huán)理論，在常規(guī)壓縮比下實現(xiàn)了更高的壓縮壓力和更好的膨脹作功能力。

具體而言，兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機采用雙缸，將發(fā)動機工作循環(huán)分解為低壓循環(huán)與高壓循環(huán)（見圖4）。燃油噴射與燃燒過程發(fā)生在高壓循環(huán)。壓縮與膨脹過程分為兩個階段，并分別在高壓與低壓循環(huán)中進行。在發(fā)動機工作時，外界空氣從低壓進氣閥進入低壓缸進行第一階段壓縮，經(jīng)過中冷器冷卻后通過高壓進氣閥再進入高壓缸進行第二階段壓縮；接下來，噴油器噴入氨燃料，與高溫高壓的壓縮空氣充分混合后開始壓燃，并依靠氨燃料多次脈沖噴射策略維持高爆壓等壓燃燒過程；燃氣推動高壓活塞進行第一階段膨脹，然后通過廢氣連通管流入低壓缸塞進行第二階段膨脹。由于高壓缸設(shè)計尺寸比低壓缸小得多，因此傳熱損失可以大幅降低，同時大體積低壓缸內(nèi)的氣體二次膨脹可以顯著提高膨脹功。這種作功方式顛覆了傳統(tǒng)內(nèi)燃機采用的奧托循環(huán)或狄塞爾循環(huán)理論，形成了分缸兩階相繼壓縮膨脹的熱力學循環(huán)；突破了傳統(tǒng)大功率內(nèi)燃機沖程限制壓縮比提升的瓶頸，獲得了更高的壓縮比，為氨燃料高爆壓壓燃創(chuàng)造了條件，熱效率得到大幅提升。

三是大小缸同步穩(wěn)定直線運動技術(shù)。團隊發(fā)明了高低壓氣缸錯位式直線運動技術(shù)，實現(xiàn)了直線穩(wěn)定傳動作功，替代了傳統(tǒng)內(nèi)燃機采用的曲柄連桿機構(gòu)，大幅降低了傳動和機械損失。

具體而言，兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機取消了曲柄連桿結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的機械限制；將內(nèi)燃機與直線電機進行集成（見圖5），在簡化結(jié)構(gòu)的同時，實現(xiàn)了機械損失的降低、功率密度的增大、發(fā)電效率的提高，節(jié)能效果也更好；優(yōu)化了傳動結(jié)構(gòu)，高低壓活塞之間通過動子芯軸剛性連接，實現(xiàn)了兩套發(fā)動機組的同步動作，使整機運行更加安全穩(wěn)定。

應(yīng)用前景與技術(shù)展望

黨的二十大報告指出“推動能源清潔低碳高效利用，推進工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域清潔低碳轉(zhuǎn)型”。當前，能源行業(yè)正從柴油等傳統(tǒng)化石能源逐漸向風能、太陽能、氨能等新能源轉(zhuǎn)型，而隨著氨燃料內(nèi)燃機進入市場，能源行業(yè)將進一步考慮布局氨能，綠氨產(chǎn)業(yè)和氨燃料供給產(chǎn)業(yè)也將迎來新的發(fā)展機遇。同時，氨燃料對發(fā)動機零部件提出的耐氨腐蝕等新要求將促進相關(guān)零部件及其材料應(yīng)用的革新；燃料系統(tǒng)、直線電機、高效換熱器等氨燃料內(nèi)燃機的核心部件將帶動新的產(chǎn)業(yè)集中。未來，氨燃料加注可替代化石燃料的加注站，優(yōu)化我國能源分配現(xiàn)狀和能源儲運基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進新能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，打造新的經(jīng)濟增長點。此外，新型零碳內(nèi)燃機技術(shù)路線的提出，將使我國在大功率內(nèi)燃機研發(fā)方面形成與國外技術(shù)路線對等的競爭格局，促使我國大功率內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)鏈向高端、尖端發(fā)展。這些都為兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機的應(yīng)用和推廣創(chuàng)造了良好條件。

兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機在理論上可使內(nèi)燃機的熱效率提高到60%以上，有望徹底解決當前氨燃料燃燒困難、熱效率低的問題，與現(xiàn)有的大功率內(nèi)燃機相比可使燃料成本降低約40%，大大提高了發(fā)動機的燃料經(jīng)濟性和續(xù)航能力，并能夠廣泛應(yīng)用于交通運輸、工程機械、農(nóng)用機械、陸用電站等場景。經(jīng)過初步估算，若以兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機替代現(xiàn)有在上述場景應(yīng)用的大功率內(nèi)燃機，平均每年約可減少二氧化碳排放343.6億噸，換算成平均碳交易價格可達1.27萬億元；若僅考慮船舶運輸領(lǐng)域，實現(xiàn)零碳排放，每年就將減少二氧化碳排放近11.4億噸，相當于平均碳交易價格422億元，僅在船舶發(fā)動機市場，未來3年的利潤總額就將達到8179萬元。

從技術(shù)發(fā)展角度來看，未來兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機有以下幾個性能提升方向可考慮：其一，隨著氨燃料配合氫氣或亞硝酸銨等催化燃燒技術(shù)及其他先進燃燒策略的發(fā)展，氨燃料發(fā)動機的壓燃邊界和爆壓將進一步降低，大大提高發(fā)動機的啟動和燃燒性能；其二，高壓共軌系統(tǒng)和噴油器的革新?lián)Q代能夠孕育出更加先進靈活的噴射策略，顯著優(yōu)化氨燃料噴霧的混合燃燒特性，促進燃燒效率并有效抑制排放污染物的生成；其三，新型復合材料的快速發(fā)展能夠進一步強化氨燃料發(fā)動機的結(jié)構(gòu)性能，例如使用輕型耐高溫抗沖擊金屬材料制作發(fā)動機活塞等運動件，可以減輕發(fā)動機載荷提高機動性，并支撐發(fā)動機在極限工況條件下的穩(wěn)定工作；其四，使用新型隔熱涂層材料能夠減少氨燃料發(fā)動機的熱損失，顯著提高膨脹功和熱效率；其五，作為兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機的能量轉(zhuǎn)化裝置，直線電機的快速發(fā)展能夠進一步提高整機的能量轉(zhuǎn)換效率；其六，比例-積分-微分（PID）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新技術(shù)的配合運用，能夠大大提高兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機的控制精確度和靈活度，使其在高負荷變工況下保持穩(wěn)定運行。

研發(fā)進展與總結(jié)

現(xiàn)階段，團隊已完成兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機的原理樣機論證和開發(fā)（見圖6），相關(guān)技術(shù)已申請國家發(fā)明專利11項（授權(quán)7項）、俄羅斯發(fā)明專利1項（授權(quán)1項）、美國發(fā)明專利3項（授權(quán)1項），并與行業(yè)權(quán)威企業(yè)簽訂合作意向，一同開展下一階段的工程化研制和后期的商品化推廣工作，為發(fā)揮更大的產(chǎn)業(yè)影響力奠定了基礎(chǔ)（見圖7）。

兩階熱循環(huán)氨燃料直線發(fā)動機顛覆了傳統(tǒng)大功率內(nèi)燃機的熱力循環(huán)形式和現(xiàn)有需要柴油引燃氨燃料的燃燒模式，采用純氨燃料，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的零碳排放，與傳統(tǒng)大功率內(nèi)燃機相比還具有熱效率更高、功率密度更高、經(jīng)濟性更高、尺寸更小等優(yōu)勢，能夠替代現(xiàn)有以柴油機為代表的傳統(tǒng)大功率內(nèi)燃機，有望顯著改變大功率內(nèi)燃機的產(chǎn)業(yè)格局，帶來巨大的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益，在構(gòu)建零碳社會、實現(xiàn)“雙碳”目標的進程中為交通運輸、工程機械、農(nóng)用機械、陸用電站等大功率內(nèi)燃機應(yīng)用場景提供零碳高效的動力支撐。

審核編輯 ：李倩