在全球能源绿色低碳化转型背景下，国际能源署IEA近期发布了从不同技术情景下全面分析了世界主要经济体的氨（Ammonia）生产/储运/使用过程中降低CO2排放的氨能源技术路线图。全球交通运输行业一直是碳排放大户，笔者结合氨能源战略视角分析氨燃料及氨混合燃料体系在内燃动力上的应用技术，介绍交通运输领域装备（包含车用和船舶航运用内燃机）使用氨燃料技术向低碳化无碳化转型降低CO2排放及相关前沿技术研究现状。

01、氨能源战略及最新政策动向

2020年氨生产的能源消耗和排放（摘自2021年IEA报告）

IEA基于各国氨能源战略（政策）开展了氨生产技术在三个情景下的分析，STEPS为目前声明的政策情景、SDS为可持续发展情景、NZE为2050年净零排放情景、CCS为碳捕集和储存、CCU为尿素生产中的碳捕集和利用、Near-zero share为近零份额，指不包括CCU的近零排放路线的总占比。IEA预测到2050年，在可持续发展情景SDS下和在2050年净零排放情景NZE下的近零排放氨生产路线分别占总产量的50%和73%，从生产源头保证氨的绿色属性（“绿氨”）才能确保其在交通运输领域全生命周期的近零碳排放。

美国氨能源国家项目

美国能源部启动“氨—从化肥到绿色能源传播器”国家项目，研究结果证明了氨能源能够广泛用于热力和动力装备。美国建设长达3000英里长的液氨运输管道，未来覆盖全美。美国基于夏威夷氨能源基地打造覆盖亚太的氨能源输运网络。

日本氨能源战略

氨已经成为日本应对气候变化的国际新战略。日本政府2021年4月发布氨能源战略，SIP明确4项结论：氨直接燃烧无CO2、氨是最大的氢载体、氨供应链可商业化成本低、氨燃烧NOx排放可控。SIP研究出“日本氨能源供应链路线图”，到2030年绿氨能源最大功率达到100MW。

02、氨及氨混合燃料体系在内燃动力上的应用技术

能源短缺、环境污染以及温室效应等一直是影响世界各国发展的主要问题。随着我国经济的快速增长，交通运输领域的重型车和船舶的化石燃料消耗也不断增加，这不仅使我国的化石能源对外依存度提高，而且给生态环境造成了巨大的压力。另外，我国是CO₂排放大国，在“3060”双碳背景下寻找清洁无碳排放的新型能源燃料则成为能源领域可持续发展的关键。

氢燃料和氨燃料一直被认为是具有潜力的化石能源替代燃料。氢因具有单位质量热值高、对环境无污染以及可循环利用等特点而被认为是最理想的清洁能源，然而目前仍面临氢的安全性能差、对氢的储运要求高等关键性问题，使得氢能源难以大规模应用。

氨同样是一种无碳化合物，燃烧不产生CO2且氨在世界范围内产量丰富，氨的生产、储运等条件相对成熟。全球氨联盟从能源最重要的10个维度预测“氨是未来绿色能源的赢家”：真正的零碳燃料、能量密度高、易液化（10bar或-33℃）、易储运基础设施完善、氢能载体、产量和生产效率高于液氢、成本低、优良的安全记录、可应用于所有交通装备燃料、应用广泛（发电、农机、建材）。综合来看，氨作为化石能源的替代燃料更加具有潜力。

氢动力运输装置面临七大挑战（摘自清华大学李骏院士报告）

单一氢能源动力运输装置面临热管理、载氢量、加氢时间、加氢站间隔、加氢标准、氢成本和国家政策等七大挑战。目前，远洋和内河的船舶内燃机，国际上已进入产品研发阶段。IEA的预测显示，在航运方面2050年要达到净零排放，氨要占到能量需求的45%以上。

氨的燃烧特性存在着火难、燃烧速度慢、难以自燃等燃烧惰性，目前对氨在发动机条件下的燃烧动力学和污染物生成机理研究国际上尚属空白，氨发动机的燃料特性、喷雾特性、燃烧特性、排放特性、热管理特性、动力特性等均与柴油机、汽油机不同，如柴油在高压喷射下的破碎机理和液氨的闪沸喷雾不同、汽油和氨气在当量比燃烧条件下存在较大差异。因此在内燃动力上应用时必须采用创新的燃烧方式，氨发动机从低碳到零碳主要有三条技术路线：氨柴、氨汽和氨氢。

氨燃料与汽柴油喷射和燃烧特性比较（摘自清华大学技术报告）

由于氨燃料具有不良的燃烧特性，氨燃料在压燃式发动机中需要具有35:1至100:1的压缩比，因此纯氨燃料应用于压燃式发动机中仍具有挑战性。但是氨柴双燃料发动机中柴油能够稳定引燃氨混合气，并降低NOx原始排放，通过优化氨柴燃烧控制策略，匹配选择性催化还原装置SCR和氨逃逸催化器ASC等后处理系统，是氨柴发动机的技术趋势；氨汽版发动机中，氨具有优异的抗爆性，与汽油类燃料掺混，可以在高压缩比发动机中实现“爆而不震”的燃烧新模态，提高发动机热效率；氨氢版发动机中的氨氢融合燃料通过氢活性基射流点火引燃氨混合气燃烧，实现多源预混燃烧（MPC , Multipoint premixed combustion），是解决氨点火难和燃烧慢的有效手段。

内燃机新燃烧概念-多源预混燃烧MPC（摘自清华大学技术报告）