掺氢氨发动机的燃烧理论研究

秦豪杰 申方

（华北水利水电大学，河南郑州 450045）

掺氢氨发动机的燃烧理论研究

秦豪杰 申方

（华北水利水电大学，河南郑州 450045）

随着环境污染和能源短缺的加剧，氨成为发动机理想的可再生无碳替代燃料之一。氨在发动机中燃烧存在速度慢和温度低的问题，因而需要引燃燃料，最好的无碳引燃燃料是氢。基于此，分析不同掺氢比的氢氨混合燃料的理化性能和燃烧特性，发现随着掺氢比的增加，混合燃料的低热值、理论空燃比及燃料总能量均减小；指示效率先增加后减小，平均指示有效压力逐渐减小。综合考虑，掺氢10%时有利于提高氨发动机的动力性和经济性。

氨；掺氢比；氨发动机

环境污染与资源锐减迫使人们寻求更好的可再生清洁能源。在交运行业中，已开发的能源替代品有电池、生物能及氢能等。但这些能源的大规模应用存在着一些问题：电池的使用寿命及续航能力十分有限，并且后处理、再充电等也需要特殊考虑；生物燃料和其他化石燃料一样是碳链结构，燃烧会导致CO2的增加；氢能被认为是最理想的可再生燃料，然而储运不便以及氢气的早燃、回火特性使其难以推广［1］。

由于含氢量高，氨（NH3）被认为是理想的绿色发动机燃料。氨是无碳燃料，具备传统燃料的一些特点，相比氢气有便于储运、操作安全、容易获取等优势［2］。氨作为碳氢燃料的替代物，是比利时在二战时期提出的，当时公共汽车缺少传统的化石燃料，就使用氨和煤气代替柴油［3］。在国内，与氨燃料相关的研究处于起步阶段。胡剑全等［4］研究发现氨气/液化气混合燃料发电机在一定程度上可以保持其负载性能，二氧化碳的浓度可以降至1%左右，实现低碳排放。钟绍华等［5］研究了氨燃料在内燃机缸内的燃烧性能，结果表明使用引燃燃料可以显著降低氨燃料压燃对进气温度和压缩比的要求。

在发动机中，氨可以直接燃烧，但存在燃烧速度慢和温度低的问题，因而需要引燃燃料。事实上，最好的无碳引燃燃料是氢，具有燃烧界限宽、火焰传播速度快、燃烧温度高等特点。笔者在前人的基础上以工程热力学为基础，并用氢气作为引燃燃料，分析掺氢比（占混合燃料体积百分含量，下同）对氨燃料燃烧的提升作用。

1 氨燃料的理化特性

氨中不含碳，燃烧不产生碳化合物，本身也不是温室气体。所以，采用氨作为燃料不会加剧温室效应［6］。氨与其他常用燃料的部分性能特点如表1所示［7］。

表1 氨与其他燃料的性能特点比较

从表1可以看出，氨作为燃料时具有如下特征［8］：①低热值较低，即单位质量的氨燃烧产生的热较少，这个特性要求使用氨作为燃料时，必须要有大的进气压力或是增大发动机压缩比，从而使更多的氨进入发动机缸内；②氨的能量密度较氢和天然气高，这意味着在同种工况下，同一辆汽车行驶相同里程时，所需的氨容量比氢和天然气更少，这样就可以采用较小的燃料箱以节省车用空间，或者可以通过减少汽车装载燃料的质量间接提高汽车的有效装载能力；③氨有较高的燃点和最小点火能量，所以氨发动机的点火方式一般是火花塞点燃，且使用引燃燃料。最佳的引燃燃料是氢，具有燃烧界限宽、火焰传播速度快、燃烧温度高等特点。

2 掺氢氨发动机燃烧性能分析

2.1 计算模型

氨发动机机的工作循环被看作是发生在闭口系统中的热力学循环，即定容加热循环。研究掺氢氨发动机的热力学循环时，首先作假设如下：①缸内混合气为理想气体，混合气的焓、内能和比热能等热力学参数仅与燃气的组分和温度有关，气体的动能和势能忽略不计；②燃烧过程在上止点瞬时完成，而且在等熵压缩及等熵膨胀的过程中气缸内的工质组分不变，在过量空气系数是1.00的条件下认为燃烧效率为100%；③认为等熵压缩和等熵膨胀冲程都是多变过程，而且多变指数仅受组分和温度变化影响；④认为进排气相位的重叠角是0°，即进排气门打开和关闭的过程是在活塞上下止点瞬时完成的；⑤认为进排气行程都是绝热的。

对于掺氢氨发动机，混合气在气缸内燃烧时遵循定容加热循环理论，图1是点燃式发动机的理论工作循环示意图（其中4-4’是多变指数与过程，该行程在点燃式发动机实际工作中并不存在，仅是在计算排气温度时考虑的一段理想过程）。然后可以根据前述热力学循环计算模型，计算任意掺氢比下循环中各点的缸内温度、压力和体积［9］。

图1 点燃式发动机理论工作循环示意图

2.2 不同氢含量的氢氨燃料理化性能分析

图2 不同掺氢比的混合燃料低热值和理论空燃比

一般燃料的理化特性能很大程度上决定发动机性能的优劣。空燃比和混合气热值是直接影响发动机的结构设计及技术经济性的重要参数［10］。发动机的燃料抗爆性、着火性、效率和排放等与空燃比密切相关，而低热值则决定了发动机的最大功率，低热值相对较高的气体燃料能够使发动机输出更大功率。图2是氢氨混合燃料的低热值和空燃比随掺氢比变化的关系图。从图2可以看出，混合燃料的低热值和空燃比都随着掺氢比的增加而减小，当掺氢比为50%时，燃料低热值从3.15 kJ/cm3降至2.88kJ/cm3，降低了7.1%；理论空燃比则由3.550减小到2.965，减小了16.5%。因此，在不考虑混合燃料不正常燃烧的条件下，进气量相同时，随着掺氢比的增加，气体低热值降低，发动机的输出功率会随之降低。所以，为了使发动机能够输出大的功率，需要提高进气量，一般可通过采用增压技术实现。

一般使用发动机的燃料能量流量等参数来衡量发动机的燃油经济性。燃料能量流量是某一工况下单位时间内进入发动机的燃料总能量。与氨相比，单位体积氢气燃烧放出的能量较少，因此，燃料总能量随着掺氢比的增加而减小。所以，为了提高燃料总能量，需要增加进入气缸内的燃料数量，这可以通过增大进气压力或是增大发动机压缩比等技术来实现。

2.3 不同氢含量的氢氨燃料燃烧特性分析

与理想热力学模型相比，韦伯函数基于实际燃烧规律建立了累积放热分数、火焰发展期和快速燃烧持续期之间的关系，再用韦伯效率参数来控制韦伯方程中累积放热分数随曲轴转角变化曲线的形状。所以，韦伯方程可以很好地用来定性分析发动机的实际燃烧过程。韦伯效率参数与掺氢比的变化关系及拟合的函数关系式、检验值R2如图3所示。从图3可以看出，韦伯效率参数随掺氢比的增加呈现先上升后降低的趋势，呈现较为明显的二次函数特征。

图3 不同掺氢比条件下的韦伯参数

由韦伯函数［11］累积放热分数与曲轴转角、韦伯效率参数等的关系可以推出，在相同曲轴转角位置时，随着掺氢比的增加，累积放热分数提高。这主要是因为与氨相比，氢气的点火能量极低，约为氨的3/10 000，更容易被点燃，使燃烧持续期缩短，进而减少发动机的传热损失；而且，燃烧持续期的缩短，使排气时被废气带走的热量减少，进而减少发动机的排气损失。因此，掺氢对提高发动机的热效率有很大的积极作用。

发动机的主要性能参数有指示效率、平均指示有效压力等。本文选取掺氢比分别为10%、20%、30%、40%和50%的氢氨混合燃料，分析了其平均指示有效压力及指示效率与过量空气系数的关系，如图4、5所示。

图4 不同掺氢比例的氨发动机的指示效率

图5 不同掺氢比例的氨发动机的平均指示有效应力

指示效率是评价发动机气缸内部热力过程完成的完善程度的主要参数。如图4所示，在同一掺氢比下，指示效率随着过量空气系数的增加而逐渐增大；而在同一过量空气系数下，指示效率随着掺氢比的增大呈现先增大后减小的趋势。这是因为在过量空气系数较小时，氧气浓度低，并且氢先与氧气发生反应，造成氨气不完全燃烧，从而指示效率较小。但是，随着过量空气系数变大，氧气浓度也逐渐增大，使得氨气充分燃烧，该范围内的指示效率随着过量空气系数的变化而产生较大的变化；随着掺氢比例的增大，混合气体燃料和空气的配比会达到最佳，此时燃料会完全燃烧，从而达到最大指示效率，超过最佳配比，就会逐渐减小。

平均指示有效压力是反映发动机做功能力高低的一个重要参数。如图5所示，掺氢10%时发动机的平均指示有效压力最大。在过量空气系数一定时，平均指示有效应力随着掺氢比的增加而逐渐减小。过量空气系数为1.2时，平均指示有效应力降低了6.8%。这是由于掺入氢气造成混合燃料的热值下降，因而在相同的循环进气量条件下，燃烧后释放的能量减少，进而使发动机做功能力下降，即随着氢气比例的增加，平均指示有效压力逐渐减小；而当过量空气系数较小时，混合气较浓，负荷较大，使得平均指示有效压力较高。综合考虑，选择氢氨混合燃料中氢的体积百分含量为10%，则可满足发动机动力性和经济性的双重要求。

3 结论

①对不同氢含量的氢氨燃料理化性能进行计算，随着掺氢比的增加，氢氨混合燃料的理论空燃比和低热值均减小，燃料总能量也减小，为提高发动机功率可采用增压技术。

②对不同氢含量的氢氨混合燃料燃烧性能进行计算，随着掺氢比的增加，氢氨混合燃料的指示效率先增加后减小，平均指示有效压力逐渐减小。从发动机的动力性和经济性两方面综合考虑，选择掺氢10%的氢氨混合燃料作为发动机燃料。

［1］Duan Junfa，Liu Fushui，Baigang Sun.Backfire control and power enhancement of a hydrogen internal combustion engine［J］.In⁃ternational Journal of Hydrogen Energy，2014（9）:4581-4589.

［2］冯向法.甲醇-氨和新能源经济［M］.北京：化学工业出版社，2010：60-62.

［3］Frigo S，Doveri N.Analysis of the behavior of a 4-stroke SI engine fuelled with ammonia and hydrogen［J］.Int J Hydrogen Energy，2013（3）：1607-1615.

［4］胡剑全，谢珊，吴一纯，等.低碳氨发动机的研究［J］.可再生能源，2014（10）：1505-1509.

［5］钟绍华，万桂芹，严利群.氨燃料燃烧性能数值模拟与分析［J］.内燃机工程，2014（3）：46-51.

［6］Christopher Gross，George Zacharakis Jutz，Song Charng Kong.Update on ammonia engine combustion using direct fuel in⁃jection［D］.San Antonio：Iowa State University，2012.

［7］郭朋彦，申方，王丽君，等.氨燃料发动机研究现状及发展趋势［J］.车用发动机，2016（3）：1-5.

［8］万桂芹.基于化学反应动力学的氨的均质压燃数值模拟［D］.武汉：武汉理工大学，2014.

［9］汪硕峰.掺氢汽油机燃烧与排放特性的试验研究［D］.北京：北京工业大学，2013.

［10］牟善祥.气体发动机燃料特性参数计算软件开发及应用［J］.柴油机，2015（1）：21-26.

［11］Ferguson CR，Kirkpatrick AT.Internal Combustion En⁃gines［M］.New York：John Wiley&Sons，2001.

Theoretical Study on Combustion of Hydrogen-ammonia Engine

Qin Haojie Shen Fang
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

With the aggravation of environmental pollution and energy shortage,ammonia become the engine ideal re⁃newable alternative fuels of carbon free.Ammonia in the engine combustion has the problems of slow speed and low temperature,thus need to ignite the fuel,the best no carbon ignition fuel is hydrogen.Based on this,the physical and chemical properties and combustion characteristics of different hydrogen blending ratio of ammonium hydrogen mixed fuel were analyzed,results showed that with the increase of hydrogen blending ratio,the mixed fuel of low calo⁃rific value,theoretical air fuel ratio and total fuel energy decreased;indicated efficiency first increased and then de⁃creased,mean indicated effective pressure was gradually reduced.It is considered that the hydrogen 10%is helpful to improve the power and economy of the ammonia engine.

ammonia；hydrogen mixing ratio；ammonia engine

TK431

：A

：1003-5168（2017）01-0137-04

2016-12-06

秦豪杰(1990-)，男,硕士,研究方向：发动机燃烧理论研究。