问题描述

碳中和背景下，内燃机如何实现高效零碳无污染？

随着我国“碳达峰”与“碳中和”目标的提出，内燃机低碳化、零碳化势在必行。氢和氨都是未来的碳中和燃料。“氨氢融合”有利于应对单一氢能利用在运输、存储、车载、安全、成本等方面的挑战，氨作为氢能载体的燃料利用是当前和未来国际前沿科技创新。

但氨存在点火难与燃烧慢的问题。相比于传统碳氢燃料，氨的反应活性低、自燃温度高，其需求的最小点火能量为汽油的60倍以上，层流火焰速度约为汽油的1/5，这大大提高了氨内燃机的开发难度。如何克服氨燃烧反应惰活性、提高氨发动机循环热效率是开发高效氨氢内燃机机的两大难题。

为了实现氨、氢燃料供给，需要开发专用的氨喷嘴和氢喷嘴，现有的柴油、汽油机及天然气喷嘴均不适用氨、氢喷射。氨喷嘴需要解决的最大难题是腐蚀性问题，氢喷嘴需要解决的最大难题是密封问题。

在排放方面，氨基燃料排放与传统汽柴油相比有较大差异，有NOx、N2O和未燃氨排放问题。氨气具有刺激性气味，国6法规要求氨浓度不超过10ppm。而且，氨燃料发动机排放随工况变化较大。因此，如何保证瞬变工况下，氮基排放对环境无污染，是氨氢融合内燃机的第三个难题。

问题背景

内燃机在碳中和时代下面临严苛的排放和油耗法规，发展高效清洁内燃机已经成为国际共识。传统内燃机主要依靠化石燃料作为动力来源，不可避免地在燃烧过程中产生碳排放。因此，提高内燃机热效率和采用低碳燃料和零碳燃料已经成为当前内燃机应对碳中和目标的必要手段。

最新进展（截止问题发布年度）

在氨氢内燃机高效燃烧方面，已有的研究表明，当氢气体积比为10%~20%时，发动机热效率高，且由于燃料辛烷值的升高，内燃机可运行在更大压缩比条件下，这使得氨氢燃料内燃机热效率超过汽油原机效率。目前氨氢掺混燃烧研究多为直接供氢。除此以外，氢气也有望通过氨气催化分解来在线制取。本项目最新的研究表明，使用高能射流点火代替传统火花点火，通过向主燃烧室中喷射富含氢自由基的高温燃气，形成分布式气相射流点火，制造多个点火源并引发强湍流，从而引燃主燃室中的低反应活性混合气，实现稳定可靠的点火性能并提高燃速。采用氨氢融合燃料（ammonia-hydrogen synergy），通过氢活性基射流点火引燃氨混合气燃烧（H-A），实现预混多火焰燃烧概念（MPC，multipoint premixed combustion），是解决氨点火难和燃烧慢的有效手段，结合汽、柴油机燃烧优点，MPC燃烧可以实现可靠的点火过程并提高燃烧速度从而实现爆而不震的点燃-压燃过程，成为氨内燃机实现高效稳定燃烧的重要发展方向。

在氨氢燃料供给和喷射方面，目前没有产品化的氨喷嘴和氢喷嘴。需要开发高压的氨喷嘴及中压或高压的氢喷嘴。氨裂解方面，目前大多研究的是常压下氨裂解，需要开发中高压氨裂解。

在氨氢内燃机排放方面，目前国际上仍缺少对于氨燃料内燃机条件下燃烧热解、氧化和NOx生成机理的研究，尚无适用于内燃机高温高压宽浓度范围条件下的氨燃料燃烧化学反应动力学机理。已有的研究表明，氨气/氢气和汽油的氮氧化物排放总量相当。为了减少NOx排放，可直接使用燃料氨进行选择性催化还原。当前，氨选择性催化还原技术已成为NOx排放的主流控制技术。但N2O排放是缸内氨燃烧及SCR尾气后处理过程的重要副产物。因此，迫切需要针对缸内燃烧和排气后处理全过程开展氨燃烧化学反应动力学和催化反应动力学研究。通过探测NH3燃烧过程中间产物的组分和浓度随时间的演化，确定反应途径；结合量化计算确定关键基元反应参数，开发发动机氨燃烧化学反应动力学机理。通过研究低温催化反应动力学机理，研发适用于低温条件的新型高效SCR/ASC催化转化装置；结合实时、高效的控制策略，实现NOx和NH3的近零无污染排放。

重要意义

“氨氢融合”无碳燃料将有力推动我国内燃机行业实现“双碳”目标，加速产业转型升级，属于能源与动力领域的重大技术变革。聚焦未来绿色交通碳中和最佳零碳燃料和零碳动力系统的基础理论与关键技术，针对车载氨燃料高效燃烧、近零排放开展深入机理研究，提出高压缩比和高增压内燃机预混多源燃烧概念，突破氨氢融合燃料发动机高热效率挑战；提出基于高压中温燃烧的燃烧系统，突破氨基燃料内燃机NOx和氨排放实现近零指标的挑战；研发出具有“高功率、高效率、全生命周期经济环保”的高效氨氢内燃机，研究成果将首先在国内推广应用，并引领国际新能源动力的科技创新。