醇氢融合燃烧发动机构建及其可行性分析*

王俊昌

（安阳工学院机械工程学院 河南 安阳 455000）

引言

进入本世纪，环保压力推动了燃氢内燃机和燃料掺氢加氧燃烧技术研究；H2燃烧速度快，氢内燃机可在一定工况提高热效率，但易产生爆震燃烧，高负荷时排放NOx浓度高[1]；同时H2具有易燃性、点火能量低，会导致氢内燃机出现回火、早燃等问题[2]；缸内直喷氢内燃机虽解决了回火问题，但H2混合时间短，影响排放、效率稳定性，存在强烈的相互制约关系[3]。采用较稀混合气，可防止回火和早燃、减少NOx排放，但降低了发动机功率，影响氢内燃机动力性，并且H2运输、存储也影响氢内燃机普及。

甲醇是理想的氢能载体燃料，单位体积甲醇中H 含量是液氢的1.4 倍，是70 MPa 压力下氢气的2.8倍；将车载甲醇裂解制氢，随制随用，不存在H2运输及存储问题；如将裂解气与甲醇混掺燃烧，可解决H2燃烧温度高和回火问题。姚春德等[4]对甲醇高效清洁燃烧方法研究，指出：甲醇裂解气可显著提高发动机经济性、降低排放污染；周锐等[5]研究外部燃料重整掺氢对发动机影响，指出：外部燃料重整中散失的热量没有合理利用，部分抵消了掺氢燃烧带来的性能提升。Robert Mitchell 等[6]利用EGR 技术对燃料重整，研究发现，在特定工况下发动机热效率提升11%；秦静等[7]对活化热氛围下甲醇均质压燃燃烧机理研究，指出：甲醇燃烧废气活性物质，促进甲醇低温氧化反应。如何将氢能与甲醇燃烧相结合，提升发动机热效率，降低甲醇发动机排放污染是发动机研究热点之一。本文探索甲醇在缸内活化裂解形成醇氢融合燃烧作功的可行性，回收利用燃烧废气能量提高热效率，实现发动机近零排放。

1 醇氢混燃发动机基本架构

1.1 基本方案

针对我国“富煤、少气、贫油”的能源特点，将氢能、碳循环、燃料储能、燃油替代技术有机结合，构建新型甲醇发动机。该发动机基本结构原理图如图1所示，基于传统四冲程发动机结构，采用主缸和副缸分级燃烧、组合工作方案，主缸采用浓甲醇混合气内燃兰金循环及氧气射流控制混合气着火等措施，燃烧废气一部分留在主缸，另一部分作为可燃气体送入副缸再燃烧。甲醇以较大提前角喷入主缸，利用缸内余留废气进行活化重整，将低品位废气热量转换为甲醇高品位燃烧能。基于“工质移缸”技术，导入副缸的主缸燃烧废气与进入副缸的增压空气混合燃烧，通过控制副缸燃烧温度，副缸既是主缸燃烧作功过程的拓展，也是主缸燃烧产物的后处理器，发动机具有高综合效率同时实现污染物近零排放。

图1 发动机结构原理图

该发动机主要对发动机进、排气系统和燃油供给系改进。主缸有燃料喷嘴、O2喷嘴、排气门，取消进气门，用O2喷嘴向缸内喷射氧气；副缸无燃料喷嘴，设有主进气门、副进气门、排气门；主缸与副缸之间有连接通道，主缸排气门控制主缸端连接通道的开闭，副缸副进气门控制副缸端连接通道的开闭；主缸燃烧废气通过连接通道导入副缸；副缸主进气门控制增压空气进入副缸，副缸燃烧废气由副缸排气门导入废气涡轮增压器。

1.2 进气系统

采用电控液压可变气门结构，按设定的配气正时柔性控制主缸、副缸各气门开闭，副缸工作相位落后于主缸210°CA，为减少发动机振动设置有平衡轴。副缸进气通路如图2 所示，由变频电动增压器和废气涡轮增压器等组成，涡轮增压器压气机与副缸进气口相接，电动增压器通过电磁阀3 分别与副缸进气口和压气机进气口相接。正常工况时电磁阀3 断电，电动增压器出口与废气涡轮增压器压气机进气口接通；副缸燃烧废气带动涡轮增压器工作，实现副缸进气二级增压。发动机起动时电磁阀3 通电，电动增压器出口与副缸进气口接通，由电动增压器单独为副缸提供增压的新鲜空气。

图2 发动机副缸进气通路

主缸O2喷射系统包括O2喷嘴、O2稳压装置、O2温度检测传感器、O2预热装置、O2存储罐等，ECU 根据O2及工况参数，按设定程序控制O2喷嘴适时向主缸喷入适量O2；O2预热装置利用排气热量和主缸与副缸连接通道的热量，提高O2射流温度。发动机进气管有空气流量传感器，排气管有氧传感器，ECU根据发动机工况，控制电动增压器及O2喷嘴通电时刻和时长，优化混合气浓度。

1.3 燃料供给系统

燃料供给系包括燃料喷嘴、低压泵、高压泵、甲醇稳压管、甲醇预热管、甲醇储存罐以及为起动工况提供燃料的DME（二甲醚）合成装置；甲醇预热管利用甲醇回收冷却液热量，高压泵提供可靠的喷射压力。ECU 控制燃料喷嘴，适时向主缸内喷入适量、一定压力（5MPa）的燃料。

DME 合成装置如图3 所示，包括电加热催化器3、甲醇通道电磁阀4（常开）和DME 通道电磁阀2（常闭）。起动时，电加热催化器、甲醇通道电磁阀和DME 通道电磁阀通电，关闭甲醇通道、开启DME 通道，甲醇被加热催化合成DME，喷入气缸。当起动工况向正常工况过渡时，先切断甲醇通道电磁阀电源，甲醇通道开启，DME 与甲醇混合后喷入气缸，待工作温度正常后，电加热催化器和DME 通道电磁阀断电，DME 通道关闭，发动机进入正常工况。

图3 DME 合成装置

2 发动机工作过程

2.1 起动过程

起动工况废气涡轮增压器不能正常工作，由电动增压器为副缸提供具有一定压力的空气。DME 作为压燃式甲醇发动机着火促进剂，可改善发动机起动性能[8]。DME 合成装置将甲醇转换为DME，ECU按起动程序控制O2射流和燃料喷射正时；主缸排气门关闭后先喷射O2，形成具有一定温度、压力的高密度气体空间，然后喷射燃料，以提高雾化质量、避免出现“湿壁”现象；通过控制电动增压器工作频率控制副缸进气量。随着DME 浓度增加，反应放热量增大，提升燃烧温度，提高甲醇发动机起动性。

2.2 主缸工作过程

发动机正常工况改用甲醇燃料，主缸利用内部EGR技术，缸内形成甲醇活化重整氛围。主缸工作相位如图4 所示，活塞从下止点上行α1°CA，即（180-α1）°CA BTDC 时主缸排气门开启；当主缸活塞向上运动α2°CA，即位于（180-α2）°CA BTDC 时关闭主缸排气门。当主缸活塞运动至α3°CA BTDC 时，首次向主缸喷射甲醇，甲醇在缺氧状态下吸热、气化，与热废气中的HO2、H2O2、H 等活性基团进行脱氢反应；当主缸活塞运动到α4°CA BTDC 时，第二次喷射甲醇，缸内气温上升、甲醇在活化氛围中重整；当主缸活塞上行至α5°CA BTDC 时，向主缸喷入高压O2。主缸混合气在O2射流作用下自燃、膨胀作功至下止点。主缸如此循环往复运转。

图4 发动机工作循环相位图

2.3 副缸工作过程

如图4 所示，副缸活塞上行至α6°CA BTDC 时，副缸进气门提前打开，经二级增压的热空气进入副缸；活塞下行至副缸α7°CA ATDC 时，副缸排气门关闭；副缸活塞下行至α8°CA ATDC 时，副缸副进气门开启，主缸燃烧废气进入副缸；副缸活塞下行至α9°CA ATDC 时，副缸主进气门关闭；副缸活塞下行至α10°CA ATDC 时，副缸副进气门关闭；副缸副进气门比主缸排气门晚关闭，可利用主缸废气气流惯性，增加副缸充量、降低主缸与副缸连接通道内气压。来自主缸富含自由基的可燃废气，在副缸形成气相射流多点着火，实现稳定可靠燃烧；当副缸活塞下行至α11°CA BBDC 时，副缸排气门提前开启，副缸废气进入涡轮增压器；副缸如此循环往复运转。发动机工作相位预测参数见表1。

表1 发动机工作相位参数 °CA

3 主缸燃烧过程分析

3.1 燃烧路径控制

根据苏万华[9]提出的柴油机燃烧过程及燃烧路径控制理论，该发动机从可燃混合气形成时间和燃烧反应时间两方面控制燃烧路径，用纯氧代替空气做氧化剂控制混合气组分，利用缸内余留燃烧废气中富含活性基团，营造甲醇无氧活化重整反应氛围，改变甲醇脱氢路线，将甲醇改质为富含H2、CH4等小分子燃料活性基团的可燃混合气，结合JCCI 氧气射流控制混合气着火，形成具有压燃和扩散燃烧特点的复合燃烧。由于控制了混合气中氧气组分，改变了传统甲醇燃烧路径，甲醇先改质后燃烧，形成醇氢融合燃烧新路径。

燃烧过程分为三个阶段：1）甲醇活化重整阶段：基于ICRC 和缸内EGR 技术构建甲醇无氧活化重整反应氛围，延迟甲醇与氧气的混合，利用浓混合气燃烧废气中富含活性基团的特点，改变甲醇脱氢反应路径。2）活化小分子燃料压燃着火阶段：基于射流控制混合气着火（JCCI）原理，在高压氧气射流冲击作用下，射流外围处于着火临界状态的混合气温度迅速上升，形成多火核着火并快速燃烧。3）富燃混合气扩散燃烧阶段：高压氧气射流沿活塞顶面流动与缸内混合气相混合，快速氧化反应生成活化物质；前期甲醇活化反应积累的大量H2O2等活性物质，在高温条件下发生支链反应，生成更多活性基团，火焰急速传至整个燃烧室，燃烧速率取决于氧气射流扩散速率、甲醇重整率和混合气当量比。

3.2 甲醇活化重整改质

吴志军、于潇[10]运用ICRC 原理，引入废气再循环控制纯氧燃烧速度，缸内喷水控制废气温度。本发动机利用甲醇气化潜热值高特点，吸收缸内余留废气热量，控制废气温度，降低压缩负功，增加甲醇混合气内能；同时，甲醇燃烧废气中活性物质随废气留在缸内，使甲醇在较低温下开始活化重整反应，重整为小分子燃料，降低了燃烧可用能损失。混合气当量比不同，则“燃烧废气”中所含未完全燃烧产物及活化基团的成分和浓度也不同；活化重整链分支反应取决于燃料产生的自由基浓度，低温时混合气越浓，产生的自由基越多，氧化速度越快；当量比为1 的甲醇混合气，中低温氧化反应主要是HO2和OH 参与的氧化反应。对于较高燃空当量比的甲醇混合气，火焰传播速度提高、作功能力增加[11]，其燃烧废气中含有大量的H、HO2、H2O2、HCO 等活化基团，此时甲醇低温反应中H、HO2起主要作用，而O 活化基的作用基本消失[12]。随甲醇混合气浓度提高，甲醇与H 的反应变得更为重要，H 自由基相对分子质量小，扩散速率高，是反应中最为活跃的物质，对反应有较大影响[13]；

甲醇喷入主缸后迅速汽化，废气各组分间的平衡被打破，当量比为1.4 的甲醇混合气，大约有35%甲醇与H 发生反应，剩余甲醇与HO2等自由基反应[14]。因此浓混合气中甲醇主要与活性基H 发生脱氢反应R1，生成H2和CH2OH，甲醇简化化学反应动力学机理（见表2）；CH2OH 的亚甲基基团上存在未成对电子，属于高活性物质，其后续链反应的能量壁垒（阈能）相对较小[12]，迅速与H 发生基元反应R3，由于缺氧，反应R3 取代稀燃混合气中基元反应R16成为CH3的重要来源[15]。

表2 甲醇简化化学反应动力学机理[13]

随着混合气中活性基H 浓度降低，甲醇也被HO2氧化为CH2OH，而HO2由多途径产生，是残余热废气中一种主要活性物[7]，甲醇与HO2反应活化能Ea=19.4 kcal/mol，降低了甲醇低温氧化“门槛”，增加反应起始速率，因此R2 是甲醇活化重整主要反应之一。甲醇脱H 转化为CH2OH 后，迅速与HO2发生基元反应R4，升高了CH2O 浓度。随着R3 进行、OH 浓度提高，CO、甲醇和CH2O 展开对OH 的争夺，在基元反应R5、R8、R11 中R5 反应速率最高，是甲醇的主要反应之一。随CH3浓度升高，基元反应R9 与R6展开竞争，R6 反应速率更快、活化能更低，为主干反应之一；随着反应R5 进行，HCO 浓度增加，R7 与R6展开竞争，而R6 反应速率更高；HCO 热裂解反应R10 需要较高活化能，属于高温反应[14]，因此反应R6是消耗HCO 的主要反应。

甲醇无氧活化重整主干反应路径如图5 所示。随着甲醇活化重整反应进行，CO、H2O 浓度增大，CO +H2O=CO2+H2正反应速率增大，与传统有氧热废气氛围相比，生成H2增加，使混合气燃烧转化为醇氢融合燃烧。

图5 甲醇无氧活化重整的主干化学反应路径

3.3 O2 射流控制混合气着火

该甲醇发动机主缸运用JCCI 原理，采用高压氧气射流准确控制甲醇混合气着火。甲醇缸内活化重整，提高了高温氧化初期H2O2浓度[7]，当氧气射流喷入主缸时，与射流外围接触的甲醇混合气温度压力迅速上升，H2O2、HCO 的能量壁垒被打破而发生裂解反应：H2O2+M=2OH+M，HCO+M=H+CO+M，活性物质OH、H 浓度显著增大，促进甲醇快速氧化反应，触发缸内混合气多点自燃[15]。同时高压氧气射流与重整后的H2快速混合扩散，局部高氧浓度促使O 自由基作用增强，激发链分支反应：H+O2=O+OH，O+H2=H+OH，CH2O+O=HCO+OH，HCO+O=CO+OH，产生大量活性基而自燃，使燃烧急速扩展至整个燃烧室，形成醇氢融合燃烧。射流控制混合气压缩着火燃烧模式，放热率呈现前低后高特点，既不同于传统柴油机前高后低的放热率，也不同于汽油机预混合燃烧的单峰放热率[16]，有效避免富氧、掺氢混合气因燃烧速率过高造成燃烧粗暴等问题，优化燃烧放热曲线面心值，提高热功转换效率。

3.4 主缸燃烧温度控制

设主缸甲醇喷射量为n mol，混合气过量O2系数为0.7（燃氧当量比约为1.43），燃烧主要产物CO、CO2、H2O 的物质量分别为：x mol、y mol、z mol；则其总包反应方程式表示为：

设O2完全消耗，根据物质守恒定律则有：

联解（2）（3）（4）得：x=0.9n y=0.1n z=2n

若燃烧后产物分布均匀、主缸余留废气中CO 先氧化：CO+0.5O2=CO2，经多次作功循环后发动机处于稳定状态。为确保主缸混合气过量O2系数不变，第i 循环在喷射0.7×1.5n molO2的基础上，根据（i-1）循环增加喷氧量：0.5xγrg；γrg为主缸废气余留率，定义为：主缸排气结束时缸内余留气体的量与开始排气时缸内气体总量之比。

则喷氧量与喷甲醇量的关系为：

以反应物和生成物的标准生成热近似计算主缸燃烧放热量Q0：

式中：ns，nj分别表示生成物和反应物的物质量；分别表示生成物和反应物的标准生成热。

设1mol CO 氧化为CO2放热量为△h1-2；则缸内余留CO 完全氧化放热量为：

设燃烧后混合气最高温升为ΔT，则：

式中：CP分别为主缸气体定压比热容，将相关量值带入（8）式，整理后可得：

可见：若不考虑比热容变化，当燃氧当量比一定时，主缸最高燃烧温度取决于γrg。由主缸废气余留率定义可得：

式中：ntg为主缸开始排气时主缸内气体总量；nrg为主缸排气结束时主缸余留气体量；pe、pc分别是主缸排气门开启和排气门关闭时缸内压力；k 为比例系数。

γrg高低，影响甲醇活化重整和燃烧温度，ECU可根据主缸排气门开、闭时曲轴转角和缸内气压值变化，控制气门电液控制阀，调整主缸排气门开、闭时刻，实现对γrg控制。

4 副缸排放物分析

4.1 副缸绝热燃烧温度分析

设副缸混合气过量空气系数为1.2，N2不参与反应，副缸混合气中CO 完全燃烧转换为CO2，则副缸燃烧反应式为：

副缸混合气燃烧放热量为：

设进入副缸的主缸废气温度为T0′，副缸新鲜空气经增压器增压后温度为T0，副缸燃烧最高温度为T″，则：

式中：C″P分别为副缸气体定压比热容，将相关量值带入（11）式，整理后得：

由于T0′取决于主缸最高燃烧温度，而主缸最高燃烧温度受γrg控制，且T0变动较小，则：

T″=f（γrg）

即控制主缸γrg，可控制副缸燃烧温度，从而控制发动机污染物排放。

4.2 副缸污染物排放分析

由于主缸不对外排气，副缸排放高低即决定了发动机排放性能，其排放物主要是氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳、碳烟以及甲醇燃烧中间产物甲醛等。甲醇是醇类中最小的分子，只含有1 个C 且存在C—O 键，其氧化速度大于裂解形成碳烟的速度，在各种工况燃烧过程中均不易生成碳烟颗粒[17]；另一方面甲醇含氧量高，其自含氧质量比为50%，燃烧所需氧气量少，有利于混合气充分燃烧，且C ∶H 为1 ∶4，燃烧速度快、燃烧火焰稳定，因此基本上可以不考虑甲醇发动机的碳烟排放。

据文献[18]：温度不小于900 K 时，CH2O 氧化反应开始加速，温度为1 400 K 时，CH2O 完全氧化仅需0.35 ms；未燃的CH2O 从主缸到副缸，有足够温度、时间完全氧化。化学动力学计算已确认1 400 K 是CO 向CO2转化的临界温度，当温度达1 400 K 时，OH 基生成率增加，CO+OH=CO2+H 反应加速[9]。由于改质后的主缸混合气中富含H2/CO，可燃混合气的淬熄距离变短，近壁面的火焰淬熄层变薄，从而极大降低了THC 排放；据文献[19]未燃HC 后期氧化温度为900 K，碳烟后期氧化的温度为1 000 K，副缸以主缸燃烧废气作燃料，最高燃烧温度可控制在1 500 K 左右，使THC、CH2O、CO 和碳烟彻底氧化。

主缸无N2参与燃烧，避免产生NOx；副缸生成NOx需三个条件：较高的反应温度、氧浓度和时间，当温度超过1 600 K 时，NOx生成速度开始增加，温度超过1 800 K 时，反应逐渐明显[20]。取压缩比为15，以混合气比热容为定值，取曲柄连杆比λ=r/L=1/3.5，废气余留率取60%～65%，主缸热损取25%，副缸热损取15%，以完全燃烧计算：主缸最高燃烧温度可达2 400 K 左右，副缸最高燃烧温度可达1 550 K 左右。可见，通过控制主缸废气余留率，在保证主缸热功转换效率的同时，副缸既延续主缸燃烧作功过程，又起到主缸燃烧后处理器作用，实现发动机近零排放。

甲醇燃烧虽然仍产生CO2，但每合成1 t 甲醇可消耗1.375tCO2，通过甲醇合成技术中和碳排放，也可由生物质制取甲醇，通过光合作用实现CO2→CH3OH→CO2→…形成良性碳循环，实现发动机燃料碳中和。

5 结论

本新型发动机采用主缸和副缸分级燃烧、组合工作方案，利用燃氧当量比为1.43 甲醇混合气燃烧废气中的活性基团构建甲醇活化重整路径，主缸解决甲醇掺氢、着火控制问题，副缸解决排放问题，实现醇氢融合、分级燃烧、内燃兰金循环；利用甲醇物化特性，将低品位废气能量转换为高品位燃烧热能，并实现高膨胀比的二行程工作循环，提高发动机综合热效率。提出改善起动性能方案，推导出稳定工况时喷氧量与甲醇量的变化关系，分析了主缸废气余留率与发动机燃烧温度关系，论证了醇氢融合燃烧、实现发动机碳中和的可行性。

清洁、高效甲醇发动机，相比电池储能，既无电池自燃风险，也无报废电池污染环境隐患，从成本最低、效费比最优角度出发，考虑充分利用成熟的产业链及其完备的基础设施，开发研制醇氢氧混燃发动机是实现双碳目标的有效措施。若发动机和电机相结合，发挥混合动力组合优势，拓宽绿色甲醇发动机高效工况范围，改变混动车中发动机所处从属地位，大幅度减少电池用量，降低电池总成本，化解电池一致性难题，避免车辆自燃，提高车辆可靠性；同时解决了电动车充电难、充电时间长等难题，实现内燃机燃料碳中和。