基于焦炉气的HCNG发动机稀燃特性研究

王明月，马凡华

（1.一汽大众汽车有限公司，长春 130011；2.清华大学汽车工程系，北京 100084）

焦炉气是炼焦工业的副产品。炼焦企业除了将其用作能源进行发电、民用和商用外，还可用于化工燃料生产甲醇或合成氨。但每年仍有约300亿m3的焦炉气直接排放燃烧，造成的直接经济损失近百亿元。这不但浪费了宝贵的资源，更对环境与人民的健康造成了严重的危害。因此，合理利用焦炉气，对于节能减排具有显著意义。焦炉气的利用要从其组成及特性出发来选择合适的途径，焦炉气是混合物，其产率和组成因炼焦用煤质量和焦化过程条件不同而有所差别。焦炉气的主要成分见表1。从表1中可以看到，焦炉煤气富含氢气和甲烷。

表1 焦炉气的主要成分

在焦炉气的各种利用途径中，深加工附加值较高的产品才是最佳出路。将焦炉煤气回收净化用为车用，成为用户及早使用接近商业化的富氢气体燃料汽车的一个途径，其经济效益和环境效益都是可取的。 HCNG（Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas），是将氢气与天然气（CH4）按照一定比例混合而成的车用代用气体燃料。本文以焦炉气作为车用HCNG燃料的工业来源，将其进行甲烷化与适当的提纯后，视为体积掺氢比为55%的HCNG燃料。在6缸增压火花点火发动机试验台架上进行了试验研究，揭示55%掺氢比HCNG发动机的稀薄燃烧特性，并与纯天然气发动机与30%低掺氢比HCNG燃料特性进行了对比。试验方法为发动机稳态实验。发动机的负荷以进气管绝对压力MAP表示而非传统的节气门开度，这是因为本实验对象为增压发动机，由于增压器的作用，只保持节气门开度不变不能获得固定的进气量［1］。具体试验工况如表2所示。

表2 试验工况

1 55%掺氢比HCNG发动机稀燃极限

利用稀薄燃烧方式提高燃料的经济性与排放性是HCNG发动机的一大优势。但是火花点火发动机在稀薄燃烧时，由于火花点火瞬间电极间隙处气流运动的变化，对火核的产生有较大影响，从而影响到整个燃烧过程，致使气缸内的压力出现较大变动，发动机运转稳定性发生恶化，影响车辆操控性和舒适性，燃油消耗率增加，输出功率降低［2，3］，因此循环变动是发动机采用稀薄燃烧技术需要重点考虑的问题。

图1给出了55%掺氢比对不同过量空气系数下的缸内平均指示压力循环变动系数COVimep影响。由图1中可看出，当λ＜1.6时，各种燃料的COVimep均比较低，小于2.5%，当过量空气系数λ＞1.6后，55%掺氢比的COVimep远远大于CNG与30%HCNG燃料，并且这种趋势在混合气越稀的时候越明显。55%掺氢比HCNG燃料COVimep的这种变化规律意味着其稀燃极限得以大大地拓宽。可以采用下图来说明：在燃用55%HCNG，MAP为105 kPa的情况下，发动机的稀燃极限为2.5，远大于燃用纯CNG与体积比30%HCNG时稀燃极限1.71与2.09。这种对稀燃极限的拓宽效果十分显著，究其原因是由于掺氢大大加快了混合气的火焰传播速度。

过量空气系数是影响发动机循环变动的一个重要因素，过大的过量空气系数会使得燃烧过程中缸内混合气体的浓度和气流分布不均匀，尤其在火花塞附近，这会对初始火核的形成和发展极为不利，使得混合气的层流燃烧速度及缸内的湍流燃烧速度显著变慢，不利于维持燃烧的稳定。由于这种不利条件的作用，气流运动或混合气成分的微小变动都会带来燃烧过程和动力输出的较大波动，使得COVimep升高。然而，由于氢气比天然气拥有更快的燃烧速度和更小的点火能量，因此高掺氢比HCNG混合气的燃烧速度可以得到显著地提高，并仅需要较小的点火能量，这就减轻了上述微小变动对燃烧稳定性的影响，从而降低COVimep。

本文中将点火时刻到累积放热量达10%所持续的曲轴转角定义为火焰发展期；将累积放热量由10%到90%所持续的曲轴转角定义为快速燃烧期［4］。

从图2和图3可以看出：在同一过量空气系数下55%掺氢比HCNG燃料的火焰发展和传播速度明显快于天然气发动机与30%低掺氢比HCNG燃料，使其火焰发展期和快速燃烧期均明显缩短。并且这种趋势在混合气越稀的工况下越突出。这主要是由于氢气的掺入提供了大量的H和OH活性基元，使得燃烧反应的发生更容易、更快速，从而缩短了燃烧持续期［5］。另外从图2和图3还可看出，55%掺氢HCNG燃料在混合气相对较浓时，火焰发展期的缩短要明显于快速燃烧期。这主要是由于掺氢带来的H和OH等活性基元可以显著加快火焰的层流燃烧速度，而这对火焰还没有完全成湍流状态的火焰发展期促进作用尤为明显。

随着λ的增大，火焰发展期与快速燃烧期也逐步变大。这表明混合气过稀不利于火核的形成与发展［6］。而且当λ＞1.7时，各燃料的快速燃烧期曲线开始明显分离，快速燃烧期延长的变化速率要明显加快，这说明此时掺氢使缸内湍流燃烧速度明显加快，缩短快速燃烧期。掺氢加快湍流燃烧速度是由层流燃烧速度的增加引起的，而在混合气较浓和很稀的情况下增加程度的不同是因为层流燃烧速度对湍流燃烧的影响在这两种情况下有所不同。当混合气很稀时，缸内温度压力都会很低，此时更快的火焰发展期更有利于保证一个稳定的快速燃烧过程。

图4显示了55%高掺氢比HCNG燃料在不同过量空气系数下的燃烧持续期曲线。从图4中我们可以看到：当达到稀燃极限时55%高掺氢比HCNG燃料与CNG和30%HCNG的燃烧持续期基本一致，即稀燃极限时的燃烧持续期随掺氢比变化不大［7］。

2 55%掺氢比HCNG发动机动力性与热效率

图5给出了55%高掺氢比HCNG燃料在不同过量空气系数下的发动机输出功率曲线与纯天然气和30%HCNG燃料的对比图。从图5可以看出，随着过量空气系数λ的增加，发动机输出功率不断下降，这是因为本文是通过改变喷射脉宽来改变过量空气系数λ的。λ增大则喷气量减少，致使输入发动机的能量减少。而且当λ＜1.6，由于掺氢降低了混合气的体积热值，致使发动机输出功率下降；而λ＞1.6时，由于混合气过稀，纯天然气的燃烧速度减慢，掺氢有利于提高燃烧速度，改善不完全燃烧，反使燃烧效率和热功转换效率都有所提高，发动机输出功率更高。

图6显示了在最佳点火提前角下，55%高掺氢比HCNG燃料在不同过量空气系数下的指示热效率曲线。从图6中可以看出：由于55%掺氢比HCNG燃料燃烧速度，燃烧等容度更好，使得55%掺氢比HCNG燃料的提高指示热效率在很大的过量空气系数范围内均能有所提高［8-9］，另外掺氢还提高了混合气的稀燃能力，使得在λ＞1.6时55%高掺氢比HCNG燃料指示热效率的优势更为明显。然而由于55%掺氢比燃料燃烧时缸内温度高，传热损失大。这将减弱这一趋势。

3 结论

本文在6缸增压火花点火发动机试验台架上研究分析了55%掺氢比HCNG发动机的稀燃特性，并与纯CNG和30%低掺氢比HCNG燃料特性进行了对比。得出以下结论：

（1）在进气管压力MAP值为105 kPa的情况下，55%掺氢比HCNG发动机的稀燃极限为2.5，远大于CNG与体积掺氢比30%HCNG发动机的稀燃极限1.71与2.09。

（2）在同一过量空气系数下55%掺氢比HCNG燃料的火焰发展和传播速度明显快于天然气发动机与30%低掺氢比HCNG燃料，使其火焰发展期和快速燃烧期均明显缩短。且这种趋势在混合气越稀的工况越突出。当混合气相对较浓时，55%掺氢比HCNG燃料对缩短火焰发展期的贡献要明显大于对缩短快速燃烧期的贡献。当达到稀燃极限时55%高掺氢比HCNG燃料与CNG和30%HCNG的燃烧持续期基本一致。

（3）随着过量空气系数λ的增加，发动机输出功率不断下降，在过量空气系数λ＞1.6时，55%掺氢比HCNG燃料由于燃烧速度快，提高了燃烧效率和热功转换效率，发动机输出功率反会升高。

（4）55%掺氢比HCNG燃料可以在很大的过量空气系数范围内提高指示热效率，提高混合气的稀燃能力，在λ＞1.6时55%高掺氢比HCNG燃料指示热效率的优势更为明显。

［1］王宇.火花点火HCNG发动机性能及工作过程的试验研究与数值模拟［D］.北京：清华大学，2008

［2］李兴虎，蒋德明，沈惠贤.火花点火发动机压力循环变动特性研究［J］.内燃机工程，1993；14（4）：1-6.

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