船用氨-氢燃料发动机燃烧机理与控制策略研究
摘要
在碳减排领域中，氨燃料具有较为明显的脱碳优势，还可以充当可再生能源的储能
介质，帮助电站实现“削峰填谷”，减少弃水、弃风、弃光等能源浪费现象。此外，氨的
生产工艺、配套设施以及使用规范都相当成熟，是全世界最大产量和使用最多的化工品
之一，作为燃料应用在动力装置中具有较大潜力。尤其在船用动力领域方面，氨燃料的
储运和管路布置更为方便，表现出更高的适用性。但是，氨燃料点火能量高，着火温度
高、火焰传播速度慢以及燃烧极限窄等燃烧特性，使其急速稳定燃烧非常困难、阻碍其
大范围推广应用。然而，氨可重整得到氢，氢具有点火能量低、火焰传播速度快、着火
极限宽等特征。两者燃料性质互补，合理耦合共燃可降低氨燃料在发动机上的应用难度，
并且也在一定程度上解决了氢燃料的爆燃与储运安全问题。
本文较为系统地探索了氢的添加比例对氨燃料的燃烧影响，重点包括层流火焰速度、
滞燃期。发现氢辅助氨燃料燃烧的核心机制在于帮助活性自由基快速增殖并积累，避开
了需要先经过NH→NH→HNO反应路径来积累活性自由基，而该反应路径速率远低
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于H→HO/H的反应过程。接着，探究HCCI燃烧模式下不同掺氢比例下氨燃料发动机
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的燃烧性能，较大程度上影响了着火前与着火后的燃烧过程。此外，氨发动机运行在
HCCI模式的NOx排放与柴油发动机存在极大的不同，不能完全避免NOx排放的产生。
接着，将氨氢燃料应用在实际的船舶发动机上，提出两种应用于不同燃烧模式下的氢辅
助氨燃料着火燃烧的策略，即预混氢辅助缸内直喷氨压燃着火以及预燃室形成氢射流火
焰引燃缸内预混氨的燃烧策略。借助三维CFD仿真软件，分别探索这两种燃烧策略下
船舶发动机的性能表现。在发动机没有额外结构变动的情况下，均可以在燃用氨氢燃料
后实现与原机燃料同等的100%负荷功率输出，且没有因为燃用氨燃料而表现出高NOx
排放。
关键词：氨氢燃料；船舶发动机；着火机制；NOx排放；燃烧策略
船用氨-氢燃料发动机燃烧机理与控制策略研究
Abstract
Inthefieldofcarbonemissionreduction,ammoniafuelhasadvantagesofdecarbonization,
andcanbeusedasanenergystoragemediumofrenewableenergy,helppowerstationsachieve
peakcuttingandvalleyfilling,andresolvecurtailmentofhydro,windandPVpower
generation.Inaddition,supportingfacilitiesandusespecificationsofammoniaarequitemature,
anditisoneofthelargestandmostusedchemicalsintheworld,whichhasgreatpotentialto
beusedasfuelinpowerplants.EspeciallyinMarineenginefield,ammoniafuelstorageand
transportationandpipelinelayoutismoreconvenient,showinghigherapplicability.However,
thecombustioncharacteristicsofammoniafuel,suchashighignitionenergy,highignition
temperature,slowflamepropagationspeedandnarrowcombustionlimit,maketherapidand
stablecombustionofammoni