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摘 要：在本研究中，通过实验对采用NH3/H2以及NH3/CH4的火花点火式发动机的性能进行了评价。使用了压缩比为13.7，冲程容积为412cm3的单缸火花点火式内燃发动机。NH3、H2、CH4由高压气罐提供，从汽车燃气喷射器喷射到进气歧管。燃料和空气在进气歧管内混合后流入汽缸内。在NH3/CH4混烧的情况下，发动机能够在NH3摩尔分数为0~0.50的范围内稳定运行；在NH3/H2混烧的情况下，发动机能够在NH3摩尔分数为0.70~0.90的范围内稳定运行。无论是NH3/CH4混烧还是NH3/H2混烧，当NH3摩尔分数增大时，净平均有效压力和净热效率都会增大并逐渐达到峰值，然后逐渐下降。CH4单独燃烧时的NOx排放量为3800ppm左右，而添加10%的NH3后，排放量迅速增大到5500ppm左右。由于NH3的还原作用，NOx排放量随着NH3摩尔分数的增大而减少。而未燃烧NH3的排放量随着NH3摩尔分数的增大而增大。该未燃烧NH3由淬火层排出。
关键字：氨、氢、混烧、火花点火式内燃机、新能量载体
很多国家都已提出到2050年实现碳中和的目标1)。氢（H2）在迈向低碳社会的进程中有望发挥重要的作用。但是，H2供应基础设施的建设尚处于起步阶段，阻碍了氢能的普及。另外，H2的能量密度较低，因此在储存和运输方面也存在课题。例如，对H2和汽油进行比较后发现，当存储相同能量时，H2需要汽油约3000倍的体积，因此需要开发H2的压缩和液化技术。
氨（NH3）作为H2的载体备受关注。NH3有望用作化石燃料基础设施和氢基础设施之间的桥梁。NH3被大量用于制冷剂、肥料和化学原料，是世界上最大的合成工业化学物质2)。因此，氨的运输和储存基础设施已基本完善。而且，除了将NH3作为H2载体外，将其作为燃料直接燃烧的利用方法也在广泛研究中。
Lui等人3)利用CHEMKIN对在NH3/空气预混合气中传播的一维火焰进行了数值分析。设定了相当于压缩比1~15的温度和压力条件，分析了在当量比φ为0.5~1.5的条件下的火焰传播。结果表明，可燃范围为φ=0.8~1.5，最大燃烧速度为0.14m/s（φ=1.1）。其燃烧速度明显小于烃，表现出燃烧缓慢的特点。
Frigo等人4)使用压缩比为10.7的火花点火式发动机，将氢作为辅助缓慢燃烧的NH3的助燃燃料，并对其效果进行了实验研究。使发动机转速达到2500~5000rpm，在全负荷和部分负荷的条件下，对总当量比φ=1.0的NH3/H2混烧进行了研究。结果显示，在能量比方面，将IMEP变化率控制在10%以下所需的最小加氢量在全负荷状态下为7%（NH3占全部燃料的摩尔分数为0.91），在部分负荷状态下为11%（NH3占全部燃料的摩尔分数为0.85）。在部分负荷的情况下，为了稳定运行，需要添加1成以上的氢。
Lhuillier等人5)使用压缩比为10.5的火花点火式发动机，将进气温度加热至323K，在进气压力为0.10MPa和0.12MPa的条件下进行了实验。采用NH3/H2混合燃料，在总当量比φ=0.6~1.2、NH3摩尔分数为0.40~1.0的范围内，对发动机性能和燃烧特性进行了研究。结果显示，在总当量比φ=1.0、NH3摩尔分数为1.0的条件下，发动机能够在两种进气压力下以3%以下的IMEP（平均有效压力）运行。在进气压力为0.12MPa的条件下，1%的未燃烧NH3被排放，NOx排放量为4000ppm。在总当量比φ=1.0以上的条件下，未燃烧NH3的排放量增大，由此可以起到还原作用，NOx排放量减少至500ppm。
小池等人6) 7)采用无需进气加热、且具有13.9的相对较高压缩比的火花点火式发动机，对NH3燃烧进行了实验研究。作为NH3的助燃燃料，目前正在使用广泛用于汽车及固定式动力源的汽油和通过NH3重整得到的H2，调查其性能。结果表明，使用汽油作为NH3的助燃燃料时，NH3占燃料总体的摩尔分数为0.30，可以实现稳定运行；而使用H2时，