零碳时代——农用氨氢发动机.docx

零碳时代农用氨氢发动机要：随着环境污染日益严重、温室效应不断加剧，全球生态平衡遭到破坏，减少碳排放已经成为全世界的共识，我 国也提出了 “碳达峰”和“碳中和”的“双碳目标”。如今农业温室气体排放总量约占我国温室气体排放总量的1796,农业 生产活动产生的碳排放已成为我国碳排放的主要组成部分。为此农业农村部也提出了在“十四五”期间推进农业农村领域 减排固碳，其中也包括加强畜禽粪污处理利用和农机节能减排。我们希望以氨燃料发动机替代现有的农用发动机，同时希 望以农村生产活动中产生的有机废物堆肥发酵产生氨气作为燃料来源。然而以氨气作为发动机燃料存在着活性不高、火焰 传播速度慢、不完全燃烧的问题，限制了氨发动机推广和发展。针对这些固有缺陷，我们设计了农用氨氢发动机。1）本作 品采用了改质氨燃料高能点火的方式，通过预混少量氢气对氨燃料改质，以低压供给的方式对改质氨燃料进行供给，以此 实现氢燃料的快速充分燃烧。2）通过混合气分层燃烧以及强化湍流的方式强化氨氢燃料发动机燃烧效果，并通过提高发动 机压缩比显著提高了燃烧效果。3）本作品以高浓度氢燃料作为引燃材料，并通过电控装置实现了氨氢燃料供给比例的自主 控制，优化了燃料燃烧，且能很好的匹配农用发动机工况变化频繁的特点。本作品提出的氢气引燃、氨气助燃的方案为氨 燃料的应用推广提出了可行性路线，堆肥发酵产生氨气也为农业领域开发生物质能等可再生能源提供了思路。若能全面推 广农用氨氢发动机将大力促进我国农业领域节能减排和我国能源结构的转型升级。关键词：农用氨氢发动机；改质氨燃料；零碳排放Zero carbon Era - ammonia hydrogen engine for agricultural useAbstract:In view of the problems of high carbon emissions and poor economy of existing agricultural engines, a method to replace traditional fossil fuels with ammonia fuel is proposed, and the agricultural ammonia hydrogen engine is designed, which uses liquid ammonia as the main medium, integrates a number of core technologies such as ammonia fuel modification, hydrogen pre-combustion and low-pressure supply multi-point injection, significantly improves the emission performance of the engine, and only uses two clean fuels, ammonia fuel and hydrogen fuel, in the whole working process, and the final generated products are N2 and H20, which is environmentally pollution-free. Achieve zero carbon emissions while maintaining power and economy.Key words:Agricultural ammonia hydrogen engines; modified ammonia fuel; Zero carbon emissions1设计背景及意义1.1 设计背景近年来，由于国家的绿色发展政策取得 重大成绩，车用及船用动力系统的排放都被 严格的限制，氮氧化物及硫化物的排放得到 了很好的抑制。但随着温室效应与能源短缺 的加剧，新的替代能源越来越受到关注。国 际海事组（IM0）也计划严格控制航运温室气 体的排放，脱碳目标为：相较于2008年，规 定到2030年，每一运输单位的二氧化碳排放 量减少40%,到2050年减少70%。将逐步朝 着零碳目标迈进。2020年9月习近平主席在 第75届联合国大会一般性辩论上发表重要 讲话，“中国将提高国家自主贡献力度，采取 更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争 于2030年前达到峰值，努力争取2060年前 实现碳中和。”对比碳排放与GDP水平我们 发现，限制碳排放一定程度影响了我国经济 发展。因此从动力源头开发低碳燃料的应用 路线势在必行。氨作为典型的低碳燃料之一, 有成熟的供应链，是主要的低碳替代能源之 一。氨燃料容易液化，使用安全，与其他燃 料相比，能量密度高，有良好的抗爆性，另 外氨燃料具有成熟的供给链，成本较低。但 目前国际上尚无成熟的氨燃料动力装置，已 有的氨燃料发动机存在体积效率低、燃烧效 果差，热效率以及能量利用率低等问题，双 燃料的氨发动机又存在着中低工况下碳排放 超标的问题，限制了推广应用。农用发动机 作为现代农业生产活动的主要机械，具有高 排放、高扭矩以及工况变换频繁的特点，当 前的农用发动机虽然可以满足农业生产活动 的需求，但是发动机存在油耗高、温室气体 以及污染气体排放严重等问题，增加了农民 负担的同时，也不利于我国双碳战略的实施 和推进。1.2 国内外研究现状长期以来，氨一直被用作氢燃料电池的 携氢载体而忽视了其直接作为内燃机燃料的 潜质，关于氨在发动机中的应用，国外的研 究时间长，成果上也较为成熟。20世纪六七 十年代，美国汽车工程协会（SAE）曾发表了 多篇有关氨燃料和氨发动机方面的学术文 章。美国从2004年开始，每年举行一次“氨 学术交流会议”，其中2008年的会议主题是 “氨一美国能源独立的关键”。国外先后将氨 成功地应用到从轻型到重型的各种车辆上， 其研究发现，在汽油机的压缩比下使用氨燃 料应采用增压技术和废气燃料重整技术来满 足发动机的动力性能要求;应用于航天飞机、 火箭等设备上，作为动力源。对于氨燃烧的 也进行了较深入的研究，比如当量比和压缩 比的选取，混合燃料掺烧等。在排放上，对 氨-二甲醛混合物的燃烧和排放特性和氨-柴 油混合物的燃烧和排放特性等。而我国对氨燃料发动机的相关研究尚处 于萌芽阶段，国内仅有数例氨燃料发动机方 面的报道。乙快氨火箭推进剂研究，汽油一 液化气双燃料发电机组上对氨气一液化气混 合燃料的试验研究，氨一正庚烷混合燃料发 动机缸内燃烧研究等。天津大学现已有快压 机，王昆老师已申请到重点实验室的设备基 金，搭建流动反应管，预计今年就可以模拟 燃料的着火特性和中间自由基的演化历程。 定容燃烧弹正在搭建，可以模拟船机空间尺 度下的氨燃料在船机压力和温度下的燃烧特 征。研究内容也都集中在用试验去寻找氨燃 料的应用方案，未能揭示其本质。研究的范 围较国外窄，研究的深度较国外浅。1.3 作品意义（1）中国作为农业大国，耕地总面积达 19. 18亿亩。截至2020年我国农用小型拖拉 机达1727.59万台、农用大中型拖拉机达 477.27万台，农业温室气体排放约占我国温 室气体排放总量的17%,因此全面推广氨氢 发动机将引导中国农村能源领域的结构化变 革；（2）在我国农村，每年可生产38X108 吨畜禽粪便，使用堆肥方法处理畜禽粪便的 过程中会产生大量的氨气。若产生的氨气未 能及时处理，将严重污染环境甚至危害到农 民的健康。而农用氨氢发动机以堆肥过程中 产生的氨气作为燃料，在利用氨的同时，实 现了能量的循环利用，减轻了农民的农业生 产负担；（3）使用氨作为燃料可避免由某一特定 能源的供求失衡而引起的价格冲击，可始终 保持其经济性，缓解农民压力，同时有利于 我国能源结构转型，打破能源垄断；（4）氨氢发动机是作为农用领域实现无 碳化的关键技术措施，是推动国家能源消费 结构调整，促进农用发动机行业由柴油能源 结构向氨、氢能源结构的必要举措，能够实 现我国未来减排战略，推动经济社会发展。2技术路线2.1设计思路首先根据农用发动机使用要求确定设计 指标，明确氨氢双燃料供给方式，设计燃料 供给系统。其次结合原型机相关参数优化燃 烧室线型，达到强化燃烧的目的。最后，考 虑氨、氢燃料对金属材料的影响，针对发动 机关键部件进行防腐蚀处理，进行整机结构 设计。供给方式设计：由于氨氢两种燃料发挥 作用不同，因此目前的双燃料供给系统都是 采用两种燃料单独供给的形式，但这种供给 方式对氨燃料来说不可避免存在低工况下燃 料替代率低的问题。针对此问题，本作品设 计了一种双氢喷燃料供给系统。采用预燃室 喷射氢混合气的方式，供给高浓度的氢燃料 和少量氨燃料，实现高活性燃料的引燃。采 用进气道喷射方式，供给氨燃料以及低浓度 的氢燃料，通过氨气掺氢的方式实现燃料改 质，改质后的燃料进入燃烧室被引燃，加快 了燃料的燃烧速度；并且可以通过改变供给 的氢燃料的比例，调节发动机运行状态，从 而应对不同工况的使用条件。主动预燃室设计:根据原型机缸盖尺寸, 初步确定了主动预燃室的外形尺寸，根据匹 配的火花塞类型、燃料替代率以及燃料总流 量，确定预燃室容积，进而设计得到了氢燃 料喷射器尺寸以及预燃室射流孔尺寸，随后 进行预燃室结构干涉检测，确保主动型预燃 室满足燃料流量要求，并且结构上满足装配 条件。燃烧室设计：根据原型机活塞参数，初 步确定了原理样机活塞尺寸，根据主动性预 燃室结构，确定预燃室点火室壳体下部伸出 缸盖角度以及长度参数，进而设计得到原理 样机燃烧室活塞部分的凹坑深度，防止活塞 上止点附近与点火室壳体干涉。在初步设计 的基础上，结合进气以及射流控制，优化燃 烧室结构型线，加强燃烧室内混合气湍动能, 强化缸内气体燃烧，最终得到了本设计所选 定的燃烧室构型。整机相关部件改进：考虑氨氢燃料理化 性质，发动机相关部件易发生腐蚀以及氢脆 问题，尤其发动机燃料供给系统、喷射器、 燃烧室相关部件，所以针对燃料喷射器、供 给管路以及发动机活塞、缸盖、气阀、预燃 室等部件进行防腐蚀处理。供给喷射系统设计强化燃烧设计图1设计思路示意图3设计原理本作品是以192FA柴油机为原型机的氨 氢燃料单缸原理样机，团队参考前期针对氨 柴双燃料发动机的经验，针对此作品的设计 围绕以下几个部分展开：图2工作过程示意图3.1 双氢喷燃料供给喷射系统燃料供给喷射系统是发动机的核心部 件。本作品的发动机样件是在传统柴油机基 础上进行改动，针对设计过程中明确了以下 几点：1、氨燃料喷射采用进气道低压喷射, 喷射燃料以高浓度氨燃料和低浓度的氢燃料 混合燃料，以解决氨燃料自身燃烧困难、燃 烧速度慢、燃烧效率低的问题；2、采用氢燃 料射流引燃的形式，解决氨燃料燃点高的问题，实现高能点火，协助强化燃烧；3、鉴于 氨燃料具有抗爆性能好的特点，采用高压缩 比（通常柴油机压缩比在13-16之间），有利 于提高热效率;4、氨燃料具有一定的腐蚀性, 对橡胶密封圈和易腐蚀材料阀部件进行替 换；5、根据预燃室和进气情况，参考原型机 参数，优化发动机燃烧室型线，强化混合器 湍动能，达到强化燃烧的目的。依据以上设计思路对柴油机进行结构改 进，主要有：设置低压供气泵；加装燃气阀; 设计主动预燃室，并对发动机缸盖进行匹配 设计，借鉴柴油-氨双燃料发动机，改变发动 机气缸和缸盖，采用主动预燃室进行射流点 火；对发动机进气道、进气阀、燃气阀、缸 盖、活塞等部件进行防腐蚀处理。工作原理 图如下图所示，高浓度氢燃料起到引燃的作 用，氨燃料以低压供给的方式进入燃烧室， 氨氢燃料的燃料替代率决定了发动机能实现 低碳排放的水平。图3双燃料发动机原理图3.2 供给燃料泵燃料泵参考前期氨一柴双燃料发动机研 究经验，负责燃料的供给和燃烧压力的实现, 主要由提供转速的可逆电机和直列油泵组 成，在氨燃料供给泵的进出口连接处进行密 封处理，采用压力表检测泵油压力。图4供给泵实物图3.3 缸盖结构设置共轨管和连接管，实现燃料供给和 喷射间的转换，设计双层管结构，设置传感 器的检测位置，管路要注意防泄漏和防腐蚀。 设计过程中，咨询了工厂液氨的储存运输经 验，进行轨管材料的选择和制作。图5缸盖结构示意图图3. 3燃料喷射阀3.4燃烧室及气缸燃烧室是燃料燃烧，实现化学能转变为 热能的关键部件，同时承担着燃料喷射以及 混合气形成的关键作用，因此针对于燃烧室燃料喷射阀是燃料喷射的关键，也是难 度最大的部件，受氨燃料热值低的影响，喷 射器采用大流量设计，参考天然气等易气化 燃料，采用大流量燃气喷射阀。由于喷射压 力不同，改变了燃料喷射器的复位弹簧力， 增加了燃气密封环路，对燃料供给和回收处 进行密封处理。图6燃料喷射器示意图的相关改进设计主要围绕发动机缸盖的改进 以及活塞的优化设计。发动机缸盖结合主动预燃室的结构参数 进行改进,确保主动预燃室的尺寸满足要求, 并且在发动机运行过程中，保证周期性热负 荷下的密封以及强度性能。发动机活塞的设计要考虑预燃室燃烧室 的尺寸，防止活塞上止点附近发生冲撞，另 外综合考虑发动机进气以及射流点火的过 程，优化活塞燃烧室的型线。图7气缸示意图3.5主动预燃室本作品采用射流引燃的形式对氨燃料进 行点火引燃，而非采用火花塞直接引燃，主 动型预燃室的设计不仅承担着氢燃料的喷 射，也是发动机高能点火的关键执行部件， 本作品设计的主动预燃室采用同时兼顾耐高 温、高韧性和强度的钢材，同时考虑原型机 缸盖材料特性，综合研判热负荷下的强度以 及密封性能，结构可能简单紧凑。预燃室喷孔采用多孔设计方案，安装位 置尽量安置于气缸中心，从而使得产生的射 流尽可能均匀的分布于主燃室内。参照原型 机喷油器设计位置，采用将预燃室安装于原 喷油器安装位置，预燃室非正置安装，安装 角10。为减小预燃室于气门间的空间余 度，采用螺纹长度19nl叫间隙1.1mm的火花 塞。图8预燃室结构示意图4作品先进性及创新点4.1 作品的先进性（-）相比其他同类产品，本作品具有 高动力性、可实现全工况范围内零碳排放的 优势。本作品采用氨氢作为发动机燃料，并采 取燃料改质技术以及射流引燃的方式，有效 的解决了其他氨燃料发动机动力性能差，中 低工况碳排放不达标的问题。并且解决了氨 燃料燃烧困难、燃烧效率差，发动机热效率 低等突出问题。（二）氨氢燃料发动机排放性能良好， C02、烟气以及其他排放物可实现近零排放。氨燃料的使用大幅降低了发动机的碳排 放，与柴油机相比液氨-柴油双燃料发动机 C02排放降低近80%,而本作品的氨氢燃料发 动机则实现了零碳排放，高效燃烧技术极大 程度降低了氮氧化物和未燃氨的排放，经过 简单处理即可满足排放标准。（三）本原理样机在原型机的基础上改 动较小、体积几乎没有变化，具有售价低的 优点。本作品以192FA发动机为原型机进行改 进设计，核心围绕双氢喷供给系统，整机仅 进行了供给系统的完全替换，其余部件均在 原有基础上进行设计，整机体积几乎不发生 变化，结构相对简单，便于维修。（四）双氢喷供给系统集成了燃料改质 技术和高能点火技术，其设计优于现有双燃 料供给系统。市面上现有的双燃料供给系统采用双燃 料分别供给的方式，无法改变氨燃料物性， 而提前掺混双燃料的供给方式又无法实现掺 氢比的控制。本作品设计的双氢喷供给系统 在实现掺氢比可调的前提下，集成了燃料改 质技术，并通过预燃室射流点火的方式完成 高能点火，供给系统与燃烧室协同实现了氨 燃料的高效燃烧，使得燃烧过程更加充分。4.2 创新点（-）设计具有燃料改质和射流引燃的 双氢喷供给系统，使得供给系统满足发动机 高能点火、燃料供给比例可调的要求。由于氨燃料自燃温度高、火焰传播速度 慢，所造成的点火困难、燃烧效率低等问题 是制约氨燃料发动机热效率的一个重要因 素。本作品基于此设计了一种双氢喷氨燃料 供给喷射系统，具备燃料改质和射流引燃的 功能。进行氨燃料进气道喷射时，通过燃气 阀喷射氨燃料和低浓度的氢燃料，进入燃气 阀的氢燃料刻调节燃料掺混比例，掺混的燃 料一定程度上缓解了单一氨燃料抑制燃烧的 物性，改质后的掺乎氨燃料降低了燃点并加 快了燃烧速度。另外引燃端进行氢燃料喷射 时，通过预燃室喷射氢燃料和低浓度的氨燃 料，主动预燃室的喷射形式大大加快了火焰 的传播速度，实现燃料高能点火。图9预燃室结构示意图（二）根据性能指标参数，设计燃烧室 结构，优化燃烧室型线本作品是以192FA发动机为原型的氨氢 燃料原理样机，根据原型机燃烧室尺寸和相 应图纸，结合燃料供给系统喷射器尺寸，进 行改进设计。再根据设计指标，通过CONVERGE软件进行燃烧性能分析，优化燃烧 室型线，得到自主设计的燃烧室。图10燃烧强化示意图5、节能减排能效分析及应用前景 5.1能效分析尽管人们对氨燃料的研究仍处于起步阶 段，但氨作为发动机燃料可以解决目前氢发 动机推广应用过程中的诸多技术难题。并由 于其自身的优良特性，氨燃料发动机推广应 用势在必行。（一）针对氨燃料活性不高的固有缺陷, 我们采用氢气对氨燃料进行改质，通过参考 天然气低压供给多点喷射的方式进行氨燃料 供给，同时将高浓度氢燃料作为引燃燃料进 行供给，与氨燃料混合后实现分层燃烧，增 加燃料燃烧的充分性。（二）本作品采用火花塞点火的方式对 改质氨燃料进行高能点火，先使氢气在预燃 烧室燃烧，再采用预燃室点火的方式点燃改 质氨燃料，优化发动机的燃烧效果。（三）采用电控装置实现氨氢燃料供给 比例的自主控制，以满足农用发动机适用于 多工况的要求，同时使燃料充分燃烧。（四）相比于氨柴双燃料发动机和农用 柴油发动机，改进后的氨氢发动机真正实现 了发动机的零碳排放。5. 2应用前景本作品满足农用发动机高扭矩、高负荷 和多工况的要求，满足农业生产的基本要求, 能够适用于农业领域的生产活动，可作为农用机械应用于各类小型农机，用于针对区域 性、小面积的耕地进行农业生产活动。除此之外，木作品还可以带动发电机实 现可移动式的电能供给，包括偏远山区、矿 区、以及游牧区的区域性供电。6、经济性分析（1）燃料角度，氨便于以其他资源合成, 可避免由某一特定能源的供求失衡而引起的 价格冲击，可始终保持其经济性；（2）商业角度，双碳战略的提出势必对 我国的传统能源行业带来冲击，引起我国国 内能源结构变革的同时，也影响国家国际能 源商业活动，打击我国动力领域市场，该产 品可化解由此产生的对我国能源市场的影 响；（3）环境角度，截至2020年我国农用 小型拖拉机达1727. 59万台、农用大中型拖 拉机达477. 27万台，农用氨氢发动机在农业 领域具有广阔的应用前景；同时，农用氨氢 发动机利用农村畜禽养殖及生产生活产生的 有机废物堆肥发酵产生的氨气，不仅减少农 民生产负担，还实现了能量的循环利用；我 国每年因农用发动机损失柴油量高达2000 万吨，而农用氨氢发动机以氨燃料和氢燃料 替代柴油作为发动机燃料，真正实现了零碳 排放，若能全面推广氨氢发动机，将大力推 进农'业农村领域减排固碳政策。（4）能源角度，本产品的推广应用，有 利于我国从现有的化石能源转向可再生的天 然能源，自力更生地以可再生的氨燃料来实 现我国的能源自给，改变我国能源结构。