零碳及低碳燃料內燃機應用進展分析

李心成，萬軍杰，呂亮，仲躋風，李守哲

摘要： 隨著“碳達峰，碳中和”目標穩步推進，世界各國對內燃機碳排放標準越來越嚴苛，如何突破常規化石燃料帶來的高碳排放問題，對于未來交通發展尤為重要。目前，采用氫、氨、甲醇等零碳及低碳燃料替代傳統化石燃料是必然的選擇，零碳及低碳內燃機是現在和未來的研發熱點。為助力零碳及低碳內燃機快速發展，闡述了氫、氨、甲醇、乙醇以及天然氣等燃料的物化特性，同時分析它們在內燃機中最新應用進展，并對其未來發展所面臨的問題給出相應參考建議。

關鍵詞： 內燃機；零碳燃料；低碳燃料；混合燃料；碳中和；排放

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.001

中圖分類號： TK46文獻標志碼： A文章編號： 1001-２２２２（２０24）０3-００01-０9

據統計，2022年全球化石能源消耗排放CO2高達366億t，較2021年增長1%，再創歷史新高［1］。其中，國內化石能源碳排放量為114億t，位居全球第一。作為全球第一大碳排放國，如期達成“雙碳戰略”目標面臨巨大壓力。

國內化石能源消耗占總能源消耗的80%以上，而可再生能源消耗僅占15%［2］。可再生能源是一種以太陽能、風能等為主的清潔能源。相比于化石能源，可再生能源不產生或產生少量碳排放，且產生的碳排放可實現循環利用。因此，應當大幅度提高可再生能源在我國能源消耗中的占比。從化石能源向可再生能源過渡是一個復雜而緩慢的過程，會面臨諸多問題。為了實現既定目標，應從這幾個方面著手：首先，提高化石能源利用效率，減少能源消耗；其次，大力發展可再生能源，逐步取代化石能源；最后，實現以可再生能源為主，以化石能源為輔的能源新格局。風、光、地熱、潮汐等可再生能源用于發電，受其間歇性影響，會對電力系統造成沖擊，如果將多余電能轉化為可再生燃料，是一種非常有前景的解決方案。可再生燃料包括氫、氨、醇、醚以及生物柴油等合成燃料。它們既能作為能源儲備，又可作為內燃機燃料，從而使車輛減少化石能源消耗，甚至脫離化石能源，實現燃料的零碳排放［3］。

為助力“雙碳戰略”早日達成，可將零碳及低碳燃料應用于內燃機，取代傳統汽油、柴油等化石燃料。目前，可以應用于內燃機的零碳燃料主要是氫和氨，低碳燃料則是甲醇、乙醇、丁醇、甲醚等。本研究簡要介紹了幾類具有應用潛力的零碳及低碳燃料物化特性、最新應用以及所面臨的問題與挑戰，旨在為零碳及低碳內燃機的未來發展提供參考。

1零碳及低碳燃料特性

所謂零碳及低碳燃料是指在燃燒或使用過程中，不會產生或少量產生二氧化碳（CO2）等溫室氣體的燃料，如氫、氨、甲醇、天然氣等。雖然零碳、低碳燃料的使用對環境友好，能夠大幅度降低溫室氣體的排放，但其物理化學性質的差異也導致它們被利用的難度千差萬別。為了更好使用零碳及低碳燃料，助力“碳達峰，碳中和”目標早日實現，必須先研究它們的物化特性，揚長避短，方能發揮其最大價值。

1.1零碳燃料

目前，比較主流的零碳燃料是氫和氨，它們的結構組成中不含有碳元素，在使用或燃燒時不排放CO2氣體，被認為是理想的化石能源替代品。

1.1.1氫燃料

在常溫常壓下，氫氣（H2）是一種無色無味極易燃燒，且難溶于水的氣體，是世界上已知密度最小的氣體，其密度為0.089 kg/m3。氫的熔點為-259 ℃，沸點為-253 ℃，爆炸極限為4%～74%。

通常，氫的來源有電解水制氫、化石能源制氫、工業副產物制氫以及生物質制氫［4］。其中，化石能源制氫與工業副產物制氫是最常用的制氫方式。根據制氫過程不同，可將氫氣分為綠氫、藍氫以及灰氫（見圖1）。因灰氫生產成本低，制氫工藝簡單等優勢，目前市面上絕大部分氫氣是灰氫，占當今全球氫氣產量的90%以上［5］。未來隨著光伏、風能、水力等發電規模日益擴大，利用可再生能源制氫進行儲能的做法會越來越普遍，這將導致綠氫產量急劇上升。

1.1.2氨燃料

氨氣（NH3），無機化合物，是一種無色、有強烈刺激氣味的氣體。在標準大氣壓下，氨氣密度為0.771 kg/m3，閃點為11 ℃，著火點為651 ℃。在常溫下加壓即可使其液化，沸點為-34 ℃，易凝結成雪狀固體，熔點為-78 ℃，可溶于水、乙醇、乙醚等物質。氨氣經過加熱可分解成氮氣和氫氣，具有還原作用，即氨氣可由氫氣與空氣中氮氣結合而生成。

未來若要滿足零碳排放目標，合成氨工藝需要三代技術開發與迭代（見圖2）。其中，第一代技術以藍氫為原料，以確保在Haber-Bosch法制氨過程中CO2進行了捕捉與封存；第二代技術以綠氫為原料，通過Haber-Bosch法實現綠氨制備；第三代技術則通過氮電還原直接制氨技術直接合成氨，避免了產氫環節與Haber-Bosch法的使用［6］，該技術相比Haber-Bosch法具有能耗低、環境友好等優點，但是這項技術目前受制于催化效率與反應速率低等問題，仍處于研發探索階段。

如圖2所示，第一代合成氨技術面臨“雙碳”戰略壓力，未來會逐步退出市場；第二代合成氨技術會取代第一代技術，并逐漸發展壯大成為主流制氨技術；第三代合成氨技術則受限于效率、成熟度、可行性等問題，但隨著全球“氨經濟”的快速發展，這些問題在未來會逐步突破［7］。

1.2低碳燃料

相比化石能源，低碳燃料的碳排放量更低，對于減碳降碳具有一定的作用。將其作為化石燃料到零碳燃料過渡階段的替代，是一種不錯的選擇。目前主流的低碳燃料有甲醇、乙醇、天然氣、二甲醚等。

1.2.1甲醇燃料

甲醇（CH3OH）為飽和一元醇，是最簡單的醇類物質，相對分子質量為32.04，沸點為65 ℃，閃點為16 ℃。現代甲醇直接從一氧化碳，二氧化碳和氫的一個催化作用的工業過程中制備。甲醇密度為0.791 g/cm3，比水輕、揮發性強、無色、易燃，并有與乙醇（飲用酒）非常相似的氣味。但不同于乙醇，甲醇毒性大，不可以飲用。通常用作溶劑、防凍劑、燃料或變性劑乙醇，也可用于生產生物柴油。

目前，中國在甲醇生產與消費方面均位居世界第一，約占全球產量的90%以上，2023年底國內甲醇產能有望突破1億t［8］。其中，絕大部分甲醇是通過合成法制備而成，即在高溫高壓下，將天然氣或煤等碳源氣化生成CO和H2，然后經過一系列催化反應轉化成甲醇［9］。這種方式能耗高，消耗大量化石燃料，不符合“碳中和”理念，若采用“綠氫+碳捕捉利用”的方法，每生產1 t綠色甲醇可消耗0.9 t來自環境中的CO2。綠色甲醇可實現零碳排放，是未來交通能源的有力選擇，其制備工藝如圖3所示。

值得注意的是，采用可再生電力及工業排放的CO2合成綠色甲醇，既解決了可再生電力的波動性與間歇性問題［10］，又實現了電“液態”存儲，消納工業CO2排放，達到減碳、固碳目的［11］。

1.2.2乙醇燃料

乙醇（C2H5OH）又稱酒精，常溫常壓下為無色透明液體，熔點為-117 ℃，沸點為78 ℃，閃點為14 ℃，低毒性，易揮發。

乙醇制備方法有合成法［12］和發酵法［13］兩種。其中，合成法又可分為直接合成法與間接合成法，直接合成法是利用煉焦油、石油裂解所得乙烯直接發生加成反應來合成乙醇。該方式原料來源于石油裂解氣，具有產量大、成本低等優點，是主要的制乙醇方式之一。發酵法則采用糖類、淀粉等原料發酵而成，該過程會伴隨一系列復雜化學反應。隨著原料價格的不斷上漲，糖類發酵法與石油裂化催化合成法制備燃料乙醇成本和能耗較高［14］，作為燃料經濟性差。

乙醇燃燒產生能量太低，不適合直接用作燃料，通常將其作為添加劑，添加到其他燃料中，形成混合燃料（如乙醇汽油）。乙醇作為添加劑，好處是可有效提高汽油辛烷值，降低汽車有害尾氣及固體顆粒物的排放。

1.2.3天然氣燃料

天然氣是一種混合氣體，主要由甲烷構成，并含有少量乙烷、丙烷、丁烷等（見表1），是地球上最干凈的化石能源。天然氣沸點為-164 ℃，熔點為-183 ℃，無色、無味、無毒且無腐蝕性。在等量情況下，液化天然氣體積僅為氣態的2‰，其質量約為同體積水的45%。

天然氣燃燒穩定，不易積炭，價格便宜，可以減少20%～30%CO2排放［15-16］，目前廣泛應用于交通出行、物流運輸、發電、石油開采、船舶等領域。

1.3各燃料物化特性

燃料的物化特性直接決定了其適用的發動機類型，其中，辛烷值、可燃極限、自燃溫度、最小點火能量、空燃比以及火焰速度等燃料特性直接決定了發動機的各項性能［3］。本研究總結了各種內燃機常用燃料物化性質，如表2所示。

辛烷值是衡量發動機燃料抗爆性能的關鍵指標，高辛烷值燃料具有抗爆性能好，動力輸出強，燃燒效率高等優點。從表2可知，汽油的辛烷值在90～98之間，而氫、氨、天然氣的辛烷值則可達120以上。在抗爆性方面，氫、氨、甲醇、乙醇和天然氣明顯強于汽油。可燃極限反映了混合氣能夠燃燒時燃料所占的比例。例如，空氣中氫氣濃度在4%到75.6%之間均可被點燃，與其他燃料相比，氫氣擁有更廣的可燃性。這就允許內燃機以不同濃度混合氣工作：想要內燃機有更好的經濟性，選擇稀薄混合氣；想要內燃機有更好的動力性，則選擇高濃度混合氣。同時，在稀薄條件下，燃燒速度較慢，缸內溫度峰值也會降低，從而使得氫內燃機NOx排放更少。自燃溫度是決定發動機壓縮比的主要參數。由于高壓縮比必然會導致缸內升溫，低自燃溫度的燃料會在高壓縮比情況下出現提前燃燒現象，導致能量的浪費。相比汽油、天然氣等，氫燃料具有更高的自燃溫度，意味著能夠擁有更高的壓縮比，為進一步提升內燃機熱效率提供了可能。最小點火能量是點燃混合氣的最小能量。作為化石能源的代表，汽油最小點火能量需要0.14 mJ，而氫僅需0.01 mJ，兩者差了一個數量級。氫氣具有較小的最小點火能量，更容易點燃缸內混合氣并迅速啟動，但也意味著被其他熱源點燃的風險更大。與氫燃料相比，氨的最小點火能量高達8 mJ，點燃十分困難，氨用作內燃機燃料需要考慮這個問題。

2零碳及低碳燃料內燃機研究與應用進展

通常，根據內燃機燃料著火方式不同，可將其分為點燃式（spark ignition，SI）和壓燃式（compression ignition，CI）。針對燃料不同的物化性質，選擇與其相匹配的內燃機，才能發揮燃料最大性能。

2.1氫內燃機

基于現有發動機成熟的制造工藝和成本優勢，國內外氫內燃機發展較為迅速。通過采用缸內直噴技術（direct injection，DI）以及進氣道噴射技術（port fuel injection，PFI），國內外企業紛紛推出氫內燃機（見表3）。在國內，如玉柴YCK05H燃氫發動機，排量5.2 L，最大功率120 kW，采用高壓多點進氣道噴射技術，確保發動機多點進氣，提升進氣量，提升燃燒效率。在缸內直噴方面，玉柴YCK16H重型缸內直噴燃氫發動機，排量達15.93 L，最大功率達412 kW。在2022年6月8日，中國一汽推出了兩款缸內直噴氫氣發動機，排量分別為2.5 L和13 L。其中，13 L重型氫氣發動機不僅實現了氫燃料缸內直噴，也對單獨氣道噴射、缸內與氣道聯合噴射、氨氫混合的復合燃料噴射具有很好的適應性。國內其他企業，如濰柴、新動力、廣汽、北汽、吉利、長安等，也都紛紛推出了自己的氫內燃機。

在國外，道依茨在2021年開發了7.8 L 6缸氫發動機，功率可達200 kW，已經通過了初步測試，并計劃于2024年全面投產。康明斯在2022年5月漢諾威車展推出了6.7 L和15 L兩款氫氣內燃機，標定功率分別為216 kW和395 kW，采用了缸內直噴、稀薄燃燒等技術，配備柴油油箱，通過壓燃柴油引燃氫氣，需要配備尾氣處理裝置。卡特彼勒于2021年底推出了G3516H純氫內燃機，該機以天然氣內燃機為基礎改進而來，其標定功率為1 250 kW，主要用于電廠發電。MTU也有類似的氫內燃機，S4000L64純氫十二缸發動機，2023年初已順利通過測試。MAN公司從2021年開始，以16.8 L的直列6缸柴油機為基礎進行氫發動機開發，并提出氫氣低壓直噴的均質稀薄燃燒技術。同時，對原柴油機的燃料噴射系統、點火系統、氣門系統、缸蓋等進行優化改進，最終開發出壓縮比為13，氫噴射壓力為2.2 MPa的氫發動機。其他企業，如約翰迪爾、久保田、雅馬哈等也發布了氫發動機，其功率在80～130 kW之間，用于家用汽車、小型農機等。目前，氫燃料發動機在卡車上已經成功應用，未來隨著技術的不斷成熟，會逐步在公共交通、私家車、工程機械等領域廣泛應用。

與氫燃料電池相比，氫內燃機在氫氣純度和運營成本方面具有優勢，具體對比如表4所示。目前，氫燃料電池技術較為成熟，已經開始商業化推廣應用。未來隨著氫價格進一步下降，可與氫內燃機共同助力“雙碳”戰略達成。

2.2氨內燃機

早在1822年，世界上第一臺氨內燃機就被制造出來［6］，它被用于驅動機車前進，為后續的氨內燃機發展奠定了基礎。在二戰期間，由于石油供應短缺，氨內燃機得到了工業規模化應用，這期間誕生氨燃料皮卡車、公共汽車等交通工具［17-18］。近年來，受國際油價和“雙碳”政策影響，以氨替代化石燃料的呼聲越來越高，多家汽車公司開始布局氨內燃機的改進與研發工作。

因氨最小點火能量高、火焰傳播速度慢，不易點燃，導致純氨內燃機研究并不順利［19］。目前，主要采用其他燃料引燃方式，比如氫、汽油、柴油等，形成氨氫內燃機、氨汽內燃機、氨柴內燃機等。2023年2月12日，大連理工大學開發出世界首臺氨柴雙直噴二沖程發動機原理樣機，該樣機采用射流引燃直噴氨燃燒技術，熱效率可達45%，氨燃料替代率達80%以上，同時具有極低的氮氧化物和未燃氨排放。2023年4月10日，東風汽車公司在第七屆科技周上推出了以氨氣為燃料的氨柴、氨氫重型發動機，氨柴發動機采用柴油噴霧引燃氨的雙燃料模式，將50%的氨燃料應用于現有柴油機，可實現降碳50%的效果；氨氫發動機以氫發動機為基礎，集成進氣道安全噴射系統，氫單燃料發動機可實現氨氫混合燃燒，拓展了零碳燃料發動機應用范圍［20］。氨汽發動機則采用進氣道噴射氨氣、缸內直噴汽油的方式，實現氨汽發動機燃燒。同時，氨具有優異的抗爆性，與“汽油類”燃料摻混，可以在高壓縮比發動機中實現“爆而不震”的燃燒新模態，提高發動機熱效率。

目前，氨燃料內燃機通常需要依賴5%～15%能量比的柴油引燃才能正常運轉，這意味著碳排放問題并未得到根本性解決［21］。未來氨燃料內燃機技術路徑探索可從燃料控制策略、新型燃燒模式、燃料噴射策略三方面入手（見圖4），以期在中、大功率發動機上取得適應性與經濟性最大化。根據目前的情況來看，氨氫內燃機實現零碳排放希望較大，可以作為未來新能源汽車發展方向。

2.3甲醇內燃機

甲醇儲、運、用技術成熟，安全高效，不僅成本低，而且還能依托傳統油氣供應鏈和零售終端基礎設施。2023年是國家開展甲醇汽車試點運營項目的第12年，自2012年起，在工信部等部門部署下，在國內各個城市開展了甲醇汽車試點工作。到目前為止，甲醇汽車市場逐漸成型，保有量約3萬輛，總運行里程接近150億km。

甲醇燃料既可應用于點燃式內燃機，又可應用于壓燃式內燃機。點燃式甲醇發動機燃料供給方式可采用進氣道噴射、缸內直噴等。甲醇50%的含氧量增加了混合氣中的含氧量，使燃燒更加充分，降低CO和HC排放，NOx排放率與汽油基本一致［22-23］。目前，點燃式甲醇內燃機面臨冷起動性能差的問題，解決的辦法是在甲醇中添加其他易燃烴類燃料進行點火系統優化，或采用進氣預熱和燃料預熱等技術改善冷起動問題。

壓燃式甲醇內燃機可選擇甲醇直接壓燃技術和甲醇-柴油二元燃燒技術。甲醇直接壓燃技術通過進氣加熱來提高缸內溫度，進而實現甲醇的壓燃。與柴油直接壓燃相比，甲醇壓燃的排放幾乎為0，可避免甲醛的產生，CO和NOx排放與柴油相當［24］。甲醇直接壓燃技術存在穩定性差的問題，特別是在起動、怠速以及小負荷工作時，可在甲醇中加入十六烷值改進劑改善其壓燃性能［25］。采用甲醇-柴油二元燃燒技術可解決穩定性問題，但需要在現有發動機上加裝兩套燃料供給和控制系統，分別在進氣道噴射甲醇，在缸內噴射柴油，利用柴油引燃甲醇混合氣，實現甲醇-柴油的組合燃燒［26］。該技術在有效控制NOx的同時大幅度降低炭煙排放［27］。但是，該技術要求甲醇燃料比例不能過高，過高會導致發動機的冷起動性能變差，CO和HC排放增加［28］。未來如何進一步提高甲醇燃料占比是甲醇-柴油二元燃燒技術面臨的挑戰［29］。

2.4乙醇內燃機

乙醇可采用玉米、甘蔗、甜菜等作為原料，是一種可再生能源。將乙醇作為燃料，可以有效降低人類對化石能源的依賴。純乙醇內燃機應用并不理想，主要因乙醇對部分金屬以及橡膠具有腐蝕性，而且乙醇燃燒不充分會產生甲醛、乙醛、乙酸等物質。因乙醇辛烷值、汽化溫度高，如將其作為添加劑，加入到其他燃料中，高辛烷值可以降低爆震風險，高汽化溫度可以降低缸內溫度，避免產生過多NOx氣體。如在汽油中添加10%的乙醇，形成乙醇汽油，可以降低約20%的CO和16%的HC排放，但乙醇熱值比汽油低，會導致燃油消耗增加5%，此外，發動機的動力性能、冷起動性能有所下降。美國里卡多公司曾在2010年推出了一款乙醇-汽油混合燃料發動機，采用15%汽油與85%乙醇作為燃料，采用缸內直噴技術，同時匹配了渦輪增壓器，在皮卡車上進行了應用［30］。美國ClearFlame Engine Technologies公司于2022年底推出了一款100%乙醇燃料發動機，該發動機在康明斯X15 15 L重型柴油發動機基礎上，通過技術轉化可使用E98乙醇來運行，可降低45%的CO2排放量。

目前，美國、巴西等國家農作物種植面積大、土地肥沃，玉米、甘蔗產量過剩，用于制備乙醇恰好得以消耗，因此乙醇燃料在當地得以推廣使用。國內因為糧食安全等問題，乙醇燃料的推廣應用在2020年底被國家叫停，再開展乙醇內燃機的應用研究，組織乙醇的保障供給，既沒有基礎條件，也沒有市場需求。

2.5天然氣內燃機

天然氣作為地球上最干凈的化石能源，其主要成分是甲烷，相同能量下比汽油少排放30%的CO2。我國從1989年開始推廣天然氣汽車，在2013年成為全球第一大天然氣汽車生產國。在2019年國內天然氣汽車保有量突破700萬輛后，受電動汽車崛起影響，天然氣汽車逐漸走向衰落，但天然氣重型卡車進一步發展壯大。

目前，天然氣內燃機主要分為壓燃式和點燃式兩條技術發展路線。其中，點燃式技術路線應用最為廣泛，因其只需在傳統汽油機基礎上稍加改裝即可。在熱效率方面，點燃式天然氣內燃機比汽油機高5%［31-33］，因天然氣密度較低，在工作時功率弱于汽油機［34］。想要進一步提高天然氣內燃機熱效率，可從進氣流量、湍流方向和強度控制著手［35-36］。此外，也可采用缸內直噴的進氣方式來解決進氣道噴射體積效率低的問題。相比于進氣道噴射天然氣，缸內直噴天然氣內燃機總功率提高8%，最大扭矩提升5%；相比于汽油機，總功率下降4%，最大扭矩降低2%［37］。

相比點燃式天然氣內燃機，壓燃式天然氣內燃機可擁有更大的壓縮比，對于提高熱效率和改善排放十分有利［38］。因天然氣自燃溫度高，難以被壓燃，通常采取先導引燃方式或混合均質壓燃方式。前者需要先導燃料進行引燃，常采用高十六烷值的柴油等燃料；對于后者，由于缸內燃料混合均勻，在壓燃后燃料在缸內整體燃燒，無明顯火焰傳播現象，燃燒更充分，溫度更均勻，但是也存在混合氣制備難、燃燒相位控制難、燃燒運行工況范圍有限等問題。目前，通過調整壓縮比、進氣加熱、高溫EGR等方法來解決上述問題［39-41］。

2.6不同燃料內燃機性能分析

表5對比了各類型內燃機的碳排放量、使用經濟性等信息。從降碳效果方面來看，氫和氨燃料效果最好，可做到零碳排放，其次是甲醇和乙醇，降碳比例達到40%以上，最后是天然氣，大約可降低25%的CO2排放。從經濟性角度看，氨燃料每公里使用費用最低，其次是天然氣、氫、甲醇，最高的是乙醇。乙醇燃料汽車使用費用高的原因是乙醇熱值低，相同工況下，乙醇內燃機比汽油機需要燃燒更多燃料；其次，國內乙醇燃料價格偏高，進一步促使了乙醇汽車使用費用居高不下。

綜上所述，從經濟性與環保性方面考慮，氨內燃機目前可作為零碳內燃機的首選，氫內燃機可作為備選。未來隨著綠氫產業發展壯大，氫內燃機有望成為零碳內燃機的主要載體，與氨內燃機共同助力“雙碳”目標達成。

3零碳及低碳燃料內燃機面臨的問題

在全球減碳降碳大背景下，零碳及低碳燃料內燃機應用前景廣闊，是實現“碳達峰，碳中和”主要方式，但當下零碳及低碳內燃機面臨諸多技術難題需要攻克。

3.1氫內燃機

1） 易發生氫脆現象。對于鐵、鈷、鎳、鈦及合金，吸收氫原子后會導致其延展性降低，從而發生開裂、斷裂等現象。這種現象發生在內燃機中會導致其壽命嚴重縮短。未來需要對涉及氫脆的關鍵部件進行重新開發設計，避免或降低氫脆帶來的影響。

2） 存在爆燃、早燃、回火等技術難題。氫燃燒速度非常快，導致氫內燃機運行過程出現爆震現象，大大降低內燃機可靠性。要解決上述難題，可以嘗試從降低點火提前角、提高進氣溫度、調整混合氣濃度以及壓縮比等角度入手。

3） 缺乏合適的潤滑系統。傳統燃油內燃機采用機油潤滑，但應用在氫內燃機上會產生一系列問題。由于氫在缸內燃燒后生成水，水會導致機油乳化；汽油、柴油內燃機采用缸內直噴技術，它們本身都自帶潤滑作用，但是氫燃料不具有潤滑效果，容易造成活塞與缸壁之間產生干摩擦，從而劃傷缸壁。目前，迫切需要一種特質潤滑劑來改變這種局面。

3.2氨內燃機

1） 純氨不易點燃。氨的最小點火能量是汽油的57倍［42］，現有火花塞產品無法滿足其點火要求。因此需要采用高能點火裝置進行點火或者采用更大壓縮比實現其自燃，但大壓縮比意味著內燃機整體尺寸更大，難以適應小空間大功率內燃機。此外，采用其他燃料引燃氨是可行的技術路線，如摻氫可明顯改善其燃燒特性。

2） 氨燃料具有毒性與腐蝕性。與傳統化石燃料不同，氨具有毒性且散發刺激性氣味。若燃燒不充分或者泄漏會污染環境，與人體接觸會損傷眼睛和呼吸系統。氨有腐蝕性，與其接觸的金屬、橡膠零件需要考慮防腐蝕問題，這在一定程度上增加了生產成本。因此，氨燃料應用于內燃機時，需要更換包含銅、鋅合金的部分零件與橡膠密封件。

3） NOx排放較高。在未來的發展中，氨燃料可與氫、醚等燃料混合燃燒來降低NOx濃度。氨燃料應用于點燃式內燃機時，還可以采用組合策略對噴射正時、多次噴射、燃燒模式進行優化，在提高熱效率的同時減少NOx排放。

3.3醇類內燃機

1） 冷起動性能差。相較于汽油，醇類物質的汽化溫度高，需要更多熱量才能將其完全汽化。冬季溫度低，醇類汽化速度慢，未汽化的醇類蒸汽冷凝形成液體，堵塞燃料供給系統，導致無法起動等問題。可考慮在醇類物質中添加助燃劑進行點火系統優化，也可采用進氣預熱和燃料預熱等技術改善點燃式內燃機冷起動性能。

2） 關鍵部件需要防腐蝕。醇類物質化學活性較強，如甲醇能腐蝕鋁、錳、塑料、合成橡膠等，所有與其接觸的關鍵部件都需要考慮防腐蝕。此外，醇類物質吸水性極強，在儲存與運輸過程中會吸收少量水分，增加其腐蝕性；醇類燃料不完全燃燒還會產生少量醛、酸等腐蝕性物質，進一步加劇缸體等部件腐蝕。

3） 潤滑油提前酸化。一般醇類物質具有氧化性，可引發潤滑油的氧化反應。當潤滑油與醇類接觸，并在高溫高壓環境下暴露時，潤滑油中的添加劑會被氧化，形成酸性物質。這些酸性物質會破壞潤滑油的酸堿平衡，導致潤滑性能減弱，加速內燃機零部件的磨損，甚至對內燃機產生更嚴重的損害。

3.4天然氣內燃機

1） 缺乏精準電控系統。電控系統是發動機的“神經中樞”，精準級別直接決定發動機性能優劣。它主要由電控單元、傳感器和執行機構等構成。研發先進的電控系統來精準控制燃料供給、點火定時等，是實現天然氣發動機高效率、低排放的核心。

2） 易腐蝕及磨損零件。采用天然氣作為燃料，氣缸、氣門、活塞環等部件磨損嚴重，相比汽油機壽命縮短30%～50%。主要原因是天然氣中含有微量硫化物，導致氣缸、氣缸壁腐蝕與磨損，使發動機動力下降，壽命縮短。

4結論

a） 氫燃料有著良好的燃燒特性，能以多種方式應用于內燃機中，是未來“碳達峰，碳中和”的重要載體；

b） 氨燃燒特性稍差，并存在毒性和安全性問題，未來需要逐步突破上述問題；通過摻氫可以明顯改善其燃燒，推動氨在內燃機上進一步應用；

c） 醇類燃料具有較好的燃燒和排放特性，可單獨或摻氫使用，只有采用綠色途徑制備的醇類才具有碳中和意義；

d） 天然氣作為最清潔的化石能源，在減碳降碳過程中，作為高碳燃料的替代，具有重要應用意義。

參考文獻：

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Application Progress of Zero-Carbon and Low-Carbon?Fuel Internal Combustion Engine

LI Xincheng，WAN Junjie，LV Liang，ZHONG Jifeng，LI Shouzhe

（Yantai Jereh Petroleum Equipment & Technology Co.，Ltd.，Yantai264003，China）

Abstract： With the goal of carbon peak and carbon neutral steadily advancing， the global carbon emission standards for internal combustion engines are becoming more and more stringent， and how to break through the problem of high carbon emissions caused by the conventional fossil fuels is particularly important for the future development of transportation. At present， the use of zero-carbon and low-carbon fuels such as hydrogen， ammonia and methanol is a good choice to replace traditional fossil fuels， and global companies are competing to develop zero-carbon and low-carbon internal combustion engines in order to occupy a place in the field. In order to promote the rapid development of zero-carbon and low-carbon internal combustion engines， the physical and chemical characteristics of hydrogen， ammonia， methanol， ethanol and natural gas are introduced， and the latest application progress of these fuels in internal combustion engines are analyzed， and corresponding suggestions are given for their future development.

Key? words： internal combustion engine；zero-carbon fuel；low-carbon fuel；mixed fuel；carbon neutral；emission

［編輯： 潘麗麗］