综述：关于生物柴油-氨双燃料组合燃烧模式在柴油发动机中应用的实验研究

时间：2026年3月15日

来源：Journal of the Energy Institute

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研究建立生物柴油-氨双燃料发动机台架，探讨氨能量占比和喷射定时对燃烧及排放的影响。结果表明AES增加使缸压、放热率、过量空气系数下降，但IMEP和COV变化相反；VFB增加导致NOx和制动热效率降低；适当提前B40喷射时间可提升燃烧性能但增加热NOx排放，调整喷射时间对CO₂和烟黑排放影响不显著。

郑晨|陶琴|尹博伦|郭勇|袁浩云|林贤燕|廖斌

湖南大学机械与车辆工程学院能源与动力工程系，长沙410082，中国

摘要：

全球气温持续上升，减少温室气体（GHG）的排放比以往任何时候都更为紧迫。在交通运输领域开发零碳和可再生燃料作为化石燃料的替代品，是实现《巴黎协定》碳中和目标的重要途径。由于氨燃料的零碳特性以及生物柴油在整个生命周期中的接近碳中和特性，其在现有柴油发动机中的应用受到了广泛关注。因此，有必要探索生物柴油-氨双燃料（BADF）发动机的燃烧和排放性能。在本研究中，通过对BADF进行台架测试，研究了氨能量份额（AES）和分次喷射时间对燃烧和排放的影响。实验结果表明，随着AES的增加，气缸压力、热释放率和过量空气系数逐渐减小，指示平均有效压力（IMEP）和变异系数（COV）分别呈现下降和上升趋势。同时，CO₂排放和烟雾不透明度单调减少，而NOx排放最初增加随后减少。生物柴油的混合比例越大，相应的氧含量越高，十六烷值也越高，点火延迟越短。在高AES和恒定工作条件下，随着生物柴油体积分数（VFB）的增加，NOx排放和制动热效率（BTE）降低。此外，适度提前B40喷射时间可以增加NH₃在气缸内的燃烧强度并提高发动机燃烧性能，但热NOx排放相应增加。B40喷射时间的调整对CO₂排放和烟雾不透明度没有显著影响。

引言

为了实现2050年的碳中和目标，国际能源署（IEA）提出到2030年应将温室气体排放量减少到212亿吨。然而，相关数据显示2024年的温室气体排放量已增至378亿吨。鉴于自2020年以来全球排放量的持续增长[1]、[2]，在2024年至2030年间实现40%的减排目标极具挑战性。此外，国际海事组织（IMO）于2023年发布的《温室气体修正案》明确要求航运行业在2050年前实现净零排放[3]。在此背景下，传统内燃机（ICE）仍然是交通运输和工业的动力支柱，其对化石燃料的深度依赖对生态承载能力和碳排放减排目标构成了双重挑战[4]、[5]。仅依靠提高内燃机的热效率对减排效果微乎其微，而开发与现有动力机械兼容的零碳燃料可以有效减少温室气体排放[6]、[7]。由于其独特的分子结构和碳中和潜力，氨能正成为内燃机替代燃料研究的热点。

氨燃料的零碳特性源于其成分中不含碳原子。完全燃烧后，氨仅产生氮气和水[8]。与氢气相比，氨在标准压力下可在-33°C液化，体积能量密度为5.6 MJ/L，超过液态氢。此外，其安全性明显优于液化天然气（LNG）和液态氢[9]、[10]。值得注意的是，氨可以利用风能和太阳能等可再生能源合成“绿色氨”，从而建立从生产到应用的全面零碳生命周期[11]、[12]。然而，氨在内燃机中的应用受到其燃烧惰性的限制。此外，液态氨注入气缸时的高汽化潜热会导致温度迅速下降[13]、[14]、[15]。低燃烧反应活性和缓慢的火焰传播显著降低了发动机的燃烧稳定性[16]、[17]、[18]、[19]。鉴于氨燃料的高自燃温度，实现纯氨压缩点火需要发动机压缩比超过35[20]、[21]。为了克服氨燃料在内燃机中的应用限制，双燃料燃烧模式作为一种有效策略应运而生，通过引入高点火活性的燃料来增强氨的燃烧。

目前，大量研究集中在使用柴油和生物柴油作为高活性燃料点燃氨的发动机燃烧和排放特性上。作为一种碳中性燃料，生物柴油因其含氧特性而成为促进氨燃烧的理想燃料[22]。生物柴油的原料来自可再生资源，如动植物油。燃烧过程中的CO₂排放可以通过生物质生长周期来抵消，实现碳中性生命周期[23]、[24]、[25]。此外，生物柴油的含氧结构有助于将更多碳原子转化为CO₂，从而减少多环芳烃（PAHs）的形成，而PAHs是烟尘的前体[26]、[27]。在双燃料系统中，生物柴油的十六烷值高于柴油，其含氧分子结构显著增强了气缸内火焰的稳定性。然而，与柴油相比，其热值较低是一个缺点[28]、[29]。此外，生物柴油的高粘度会影响喷雾的雾化，进而影响发动机的燃烧和排放[30]、[31]。生物柴油、柴油和氨的物理化学性质详见表1。

为了深入研究柴油和生物柴油作为高活性燃料点燃氨的双燃料燃烧模式，研究人员使用实验和模拟方法评估了柴油/生物柴油-氨双燃料发动机的燃烧和排放特性。例如，周等人进行了实验，研究了AES对柴油-氨双燃料（DADF）发动机燃烧和排放特性的影响[36]。他们的发现表明，增加AES会导致点火延迟和高AES水平下的NOx和CO₂排放减少。刘等人在不同AES和负载条件下对BADF发动机进行了实验[37]。研究表明，随着AES的增加，峰值气缸压力和IMEP降低，而未燃烧氨、碳氢化合物和CO的排放增加。邱等人探讨了在恒定发动机转速和负载条件下氨质量份额（AMS）对BADF发动机燃烧和排放的影响[38]。他们的研究表明，随着AMS的增加，峰值气缸压力和BTE降低，而CO₂和烟尘排放显著减少，N₂O和未燃烧氨的排放增加。此外，季等人进行了实验研究，探讨了AES对DADF发动机燃烧稳定性的影响[39]。结果表明，随着AES的增加，燃烧稳定性降低。当AES为60%时，其COV_IMEP达到3.78%。

燃料喷射时间通过管理燃料的时空分布，深刻影响高活性燃料-氨双燃料发动机的燃烧过程和污染物生成途径。为了提高柴油/生物柴油-氨双燃料发动机的性能，研究人员进行了大量关于优化燃料喷射时间的研究。Amin等人对DADF发动机进行了实验和数值模拟研究[40]。他们的发现表明，提前柴油喷射时间可以减少NOx和温室气体排放，同时保持与纯柴油运行相当的热效率。黄等人使用CFD数值模拟研究了喷射时间对DADF发动机燃烧的影响[41]。他们发现，提前喷射时间会导致多点点火燃烧，而延迟喷射时间会影响火焰传播。此外，通过调整燃料喷射时间可以控制未燃烧氨和NOx的排放。曾等人使用光学发动机和高速相机捕捉了DADF模式下的气缸内火焰燃烧[42]。他们的报告表明，在单次喷射条件下，过度提前或延迟喷射时间会阻碍气缸内火焰的燃烧。分次喷射增强了混合物在气缸内的均匀分布和反应活性，有利于火焰传播。此外，王等人进行了台架测试，研究了柴油喷射时间对DADF发动机燃烧稳定性的影响[43]。据报道，DADF发动机可以在较宽的工作范围内保持正常运行，通过优化燃料喷射时间，可以将COV_IMEP控制在3%以下。然而，当AES达到90%时，其稳定工作范围变窄。

基于当前柴油或生物柴油与氨混合的双燃料发动机研究进展，尽管现有研究通过实验和数值模拟证实了AES和喷射时间对柴油/生物柴油-氨发动机燃烧和排放特性的影响，但仍缺乏关于生物柴油与柴油混合比例和AES对发动机效率、燃烧过程、燃烧稳定性以及主要污染物排放水平影响的实验研究。此外，B40生物柴油分次喷射中预喷射时间（PIT）和主喷射时间（MIT）的调整对BADF发动机燃烧状态和污染物排放之间竞争关系的影响尚未得到充分评估。本研究中建立了BADF发动机的试验台。在保持发动机转速和负载不变的情况下，研究了生物柴油与柴油混合比例和AES对发动机热效率、燃烧条件、燃烧稳定性和污染物排放的影响。在此基础上，使用B40生物柴油作为高活性燃料，探讨了PIT和MIT共同调节对发动机燃烧和排放性能的影响规律，为优化这类发动机的性能提供了实验依据。