航运减排的燃料困局

每年，国际航运承担着全球逾 80% 的贸易运输，却同时排放约 10 亿吨温室气体。由于重油具有高能量密度和可靠性，至今仍是船舶主力燃料，但其碳排放极高。随着国际海事组织（IMO）提出到 2050 年实现净零排放的目标，寻找可行的零碳燃料已成为行业紧迫任务。

氨与氢：优势互补却各有短板

在众多候选燃料中，氨备受关注。氨本身不含碳，易于液化和运输，工业化生产路线成熟，还具有较高的体积氢含量，被视为理想的氢载体。然而，氨燃烧特性并不理想：点火困难、燃烧速度慢，容易产生未燃尽的氨和大量氮氧化物（NOx），既影响效率又带来环境问题。

相比之下，氢燃烧迅速且更为清洁，将氨与氢混合使用可以显著改善燃烧性能和排放表现。但氢的储存要求极为苛刻：要么冷却至约 -253°C 液化，要么在高压下压缩储存，都需要体积庞大且昂贵的储罐，对远洋船舶而言几乎难以实现。

如何同时利用氨和氢的优点，又避免各自的致命缺陷，成为摆在行业面前的关键难题。

在气缸内“现制”氢气的发动机构想

新加坡国立大学设计与工程学院机械工程系副教授杨文明和高级研究员周欣怡博士，正是针对这一问题展开研究。他们在《Joule》期刊上发表的工作，提出了一种仅依赖氨燃料供应的氨–氢发动机新概念：发动机在运行过程中直接在气缸内制氢，从而无需额外携带氢气。

让燃料变成自己的“催化剂”

目前，多数氨–氢发动机方案依赖外置重整器：在独立反应器中，将氨加热至约 550°C，并借助钌等催化剂将其分解为氢气和氮气。

这类系统不仅需要额外能量维持高温，还会增加机械结构复杂度，占用宝贵的船舶空间。同时，在成本、转化效率和耐久性之间的权衡十分棘手，而船用发动机通常需要连续稳定运行数十年。

“我们认为，没有必要在发动机外部处理氨，可以直接在发动机气缸内生成氢气。”杨文明表示。

研究团队提出，在一台多缸发动机中，专门设置一个气缸使用富燃料氨混合物。在燃烧产生的高温高压环境下，部分氨在该气缸内分解为氢气和氮气。随后，这股富氢废气被引入其他气缸，作为补充燃料参与燃烧，从而改善燃烧效率和排放表现——整个过程只使用氨这一种燃料。

为保证这一过程稳定可靠，团队引入了主动预燃室点火系统。该系统先在预燃室内点燃易燃混合气，再将高温湍流火焰喷射到主燃烧室，引燃富氨混合气。这样无需依赖柴油等化石燃料进行预燃点火，也就避免了额外的二氧化碳排放。

“更重要的是，主动预燃室技术可以拓宽主燃烧室的富氨运行范围，从而提高整体氢气产量。”周欣怡补充道。

初步实验和数值模拟结果显示，这种气缸内重整方案能够提高热效率，减少未燃烧氨排放，并显著降低氮氧化物排放。氮氧化物是氨发动机面临的主要环境挑战之一，其温室效应约为二氧化碳的 273 倍。

“这一概念还能简化系统：不再需要体积庞大的外置重整器，也不依赖昂贵催化剂，能量损失更少。”杨文明说。

氢含量并非越高越好

这项研究被视为实现海上实用氢燃料的重要一步。团队的分析表明，发动机中的氢含量存在最佳区间，并非越多越好。当氢气贡献的能量占比超过约 12% 时，效率提升趋于饱和，而燃烧温度和氮氧化物排放则开始明显上升。

基于此，他们提出了一种较为平衡的配置方案：使用一个气缸进行氨重整，为另外三个气缸提供富氢混合气，实现较高的有效氢掺混比例，同时控制排放在可接受范围内。

仍待攻克的技术挑战

研究人员也指出，重整气缸内部的物理与化学过程极为复杂，受快速变化的流场、湍流反应以及温度和压力剧烈波动的共同影响。要优化发动机设计，必须深入理解氢气在这种瞬态条件下的生成机理和行为特征。

他们提出了若干值得进一步探索的方向：

• 富氧燃烧：在船舶已配备空气分离系统的前提下，富氧燃烧有望进一步拓展富氨运行极限。
• 高压液氨直喷：直接向气缸内喷射高压液氨，可能提升靠近缸壁区域的氨分解效率。
• 与小型辅助重整器耦合：利用发动机废气余热驱动小型辅助重整器，在不显著增加系统体积的情况下，进一步提高整体效率。

向原型机与商业化迈进

为推动这一概念走向实际应用，团队计划在新加坡海事研究院（SMI）重大项目的支持下，研制首台具备气缸内重整与气体循环功能的发动机原型机，并在实验室及船舶实船环境中开展验证试验，加速商业化进程。

“航运业的脱碳转型需要多种技术路线协同推进。”杨文明表示，“如果我们能够设计出从自身燃料中制取氢气的发动机，就能绕开氢气储存这一最大的现实障碍，为零碳海运打开一条全新的路径。”