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甲醇掺混富氢混合气在发动机缸内燃烧特性研究进展

2024-11-01陈烨欣蒋炎坤张备东

车用发动机 2024年5期

摘要:甲醇是一种清洁可再生能源,也是一种常温常压下为液态的能量载体,在能源动力领域有着广阔的应用前景。利用发动机余热将甲醇裂解为富氢混合气,再掺入发动机缸内燃烧的技术可提高能源利用效率,减少污染物排放。基于燃料特点,从氧化机理、着火延迟时间、火焰传播速度等方面给出了掺混富氢气体对甲醇燃料基础燃烧特性的影响。考虑到富氢气体的掺混燃烧有利于加快火焰传播速度及扩展稀薄燃烧极限,给出了发动机缸内火焰传播、燃烧放热、循环效率、污染物排放等方面的变化规律。本研究为甲醇掺混富氢混合气燃烧过程调控及其在点燃式发动机中的应用提供了理论基础和应用支撑,在保能源安全及“双碳”绿色发展时代背景下具有重要意义。

关键词:甲醇发动机;富氢混合气;燃烧;热效率;排放

DOI:10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.001

中图分类号:TK427 文献标志码:A 文章编号:1001-2222(2024)05-0001-11

面对我国“缺油、少气、富煤”的资源禀赋,如何在保障国家能源供应的同时,降低对环境的影响成为了一个迫切需要解决的问题[1。发展清洁能源、提高能源利用效率以及降低碳排放是当前我国能源政策的重要内容。因此,寻找一种具有较高能量密度、低污染、可持续的替代能源,成为了我国能源领域的研究重点2

甲醇是一种具有高能量密度、易储存和运输的替代燃料。作为氢的载体,甲醇可以通过裂解或者重整制氢,将氢转化为更容易储存和运输的形式,为燃料电池汽车提供理想的能源选择。由于其在常温常压下呈液态,因此储存和运输过程相对简便,可以利用现有的石油基础设施[3。容器储氢则需要解决加压和低温的问题4。此外,甲醇具有较低的污染排放,可以显著降低汽车尾气排放对环境和人体健康的影响。甲醇可以从煤炭、天然气和生物质等多种资源中合成得到,具有较强的资源可持续性,还可以由二氧化碳与通过可再生能源制取的氢气合成制取5-6。因此,甲醇作为清洁燃料在新能源汽车领域具有广泛的应用前景,被誉为“液态阳光”[7

当甲醇作为发动机燃料使用时,其燃烧过程产生的碳氢化合物排放种类与汽油相似,但排放量显著低于更复杂的碳氢化合物燃料,展现出在改善空气质量方面的显著优势[8。甲醇燃烧的主要特性包括较高的汽化热、较低的空燃比(AFR)、较快的火焰传播速度、较高的辛烷值及较低的碳氢比等[9。根据当前的发动机基准测试(EBTs)和车辆驾驶测试(CDTs)结果可知,在绝大多数情况下,使用甲醇的发动机排放的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和颗粒物(PM)量均低于汽油发动机,且二氧化碳(CO)排放量也相应减少[10。这些燃烧特性的变化会因发动机类型、冷却条件、运行条件以及催化转换器等因素的不同而异。然而,普遍趋势表明,采用甲醇作为发动机燃料,在节能减排方面具有极大的潜力11

2019年3月工信部等八部委联合印发了《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》,鼓励发展甲醇汽车和车用甲醇燃料。2020年4月中央政治局会议强调做好的“六保”之一就包括“保能源安全”。2022年3月23日《氢能产业发展中长期规划(2021~2035年)》要求扩大工业领域氢能替代化石能源应用规模,积极引导合成甲醇、炼化等行业由高碳工艺向低碳工艺转变。在“碳达峰”与“碳中和”的时代背景下,开展甲醇在发动机内的高效清洁燃烧研究有着重要意义。

1 富氢混合气发动机及其燃料

在发动机运行过程中,大约有30%的燃料能量以热废气的形式耗散。通过对这部分热能进行回收,并利用其对发动机燃料进行重整或者裂解,可以生成热值更高的富氢混合气体[12。该概念已经通过使用不同装置的多项研究得到了探索13。Fennel等[14设计了一个与多缸GDI发动机集成的、全尺寸的汽油重整器原型。该原型由装载了3.3%Pt/1.7%Rd的5块金属催化剂板组成,并通过在三元催化剂(TWC)后方安装重整器来实现。利用废气再循环(EGR)回路将部分发动机排气作为进料气体引入重整器中,所产生的重整气随后被送入发动机的进气歧管(R-EGR)。在GDI发动机中,与传统EGR相比,R-EGR在提升发动机效率、降低NO和PM排放方面显示出优势,这归功于稀薄燃烧极限的扩展。有研究者提出,在GDI发动机中应用缩小尺寸策略和增压装置进行废气燃料重整是非常有益的,因为这样可以将操作IMEP转移到更高负荷下,进而提升排气温度[15

作为一种不含C—C键的燃料,甲醇的重整温度低于乙醇,这一特性使其多年来成为重整应用研究的重点。因此,甲醇重整气体可以作为发动机的独立燃料使用[9。Poran等[16探究了车载甲醇蒸气重整(MSR)技术及其与高压热化学回收系统(TCR)结合使用,通过直接喷射方式引入内燃机的效果。研究发现,当使用100%甲醇蒸气重整产品作为直喷点燃式(DISI)发动机燃料时,发动机的指示效率提高了18%~39%。与使用汽油相比,在广泛的发动机负荷范围内,NO,CO,HC和CO的排放量分别降低了73%~94%,90%~95%,85%~97%和10%~25%[17。Liao和Horng[18利用一台四缸自然吸气发动机的排气余热,在573 K的重整温度下,通过CuO-ZnO/AlO催化剂进行MSR反应。研究结果显示:甲醇的最大转化率达到93%,产生的氢气摩尔流速约为1.34 mol/min,水碳比(S/C)为1.2。Nguyen等[19通过数值仿真比较了使用甲醇和乙醇作为重整燃料加入发动机燃烧的效率。结果表明:在更高的重整比例下,与甲醇蒸气重整相比,乙醇蒸气重整产生的氢气和一氧化碳(H/CO)以及氢气和二氧化碳(H/CO)的比例更高,因此发动机效率也得以提升。

本研究中前期发现:以甲醇为发动机燃料,利用发动机尾气余热将适量的甲醇裂解生成以氢气为主要成分的富氢混合气,引进发动机缸内参与燃烧,可减少发动机排放、降低发动机油耗[20-21。以此技术为基础的动力系统称为“醇氢动力系统”22。具体来说,首先利用发动机的尾气余热气化和催化裂解甲醇,生成物质的量比例为2∶1的氢气(H)和一氧化碳(CO)的混合物,然后将该甲醇裂解气通过进气道加入到发动机气缸内与燃料混合燃烧,如图1所示[23。甲醇裂解气中气体组分的性质如表1所示[24-25,可以看出氢气的可燃极限更宽,火焰传播速度更快,点火能量更低。

该方法相较于甲醇水蒸气重整制氢作为发动机燃料而言主要有以下优点:(1)甲醇裂解气的成分要求和对催化剂的性能要求均低于甲醇重整制氢方案;(2)作为移动裂解装置时,无需携带甲醇水蒸气重整制氢的纯水罐;(3)甲醇裂解反应可提升21%的燃料热值,大于甲醇重整反应的13%;(4)甲醇裂解的产物均为可燃气体,理想情况下不包含会稀释燃料的CO气体。

综合上述讨论,通过利用发动机尾气余热制备富氢混合气,并将其混合到发动机缸内燃烧,能够提高燃料的热值,改善发动机缸内的燃烧过程,提升热效率,并减少污染物排放。当前关于甲醇发动机的文献综述主要集中在纯甲醇发动机的研究上,对甲醇掺氢发动机的研究仅有少量提及[9,26,缺乏对于通过甲醇重整或裂解制得的富氢混合气发动机的研究综述。接下来将从富氢混合燃料的基础燃烧特性及其在发动机缸内燃烧的应用两个方面,分析当前的研究进展。

2 富氢混合燃料基础燃烧特性研究

2.1 氧化机理模型

为了深入研究掺混富氢混合气对燃料燃烧过程的影响,需要构建燃料的氧化机理模型[27。该模型是由一系列的基元反应及其热力学参数构成,它们共同表示了燃料组分和空气组分在原子和分子层面的化学反应与反应过程中的各种组分[28。机理模型可以用来模拟发动机缸内的点火、火焰传播、中间产物的生成和最终的排放物29

由于针对甲醇掺混富氢混合气混合燃料的动力学机理研究较少,故主要总结了当前对甲醇和合成气的氧化机理研究。Thi等[30通过激波yvgQr3PofHlyyqsF0VLgsA==管试验测量了在870~1 350 K,压力为0.2,1.0,2.0 MPa,当量比为0.3,1.0和1.5的条件下,不同成分的合成气的着火延迟时间。Kéromnès等[31更新了H/CO/O/N/AR系统的动力学模型,并通过激波管、快速压缩机和定容弹等试验验证了机理的准确性,其压力范围为0.1~7 MPa,温度范围为914~2 220 K,当量比范围为0.1~4.0。

Held和Dryer[32首次进行了甲醇的氧化机理研究,对其进行验证的试验温度范围为633~2 050 K,压力范围为0.026~2 MPa,当量比范围为0.05~2.6。试验验证包括激波管、流动反应器、稳定燃烧火焰和层流预混火焰等。虽然该机理中忽略了一些自由基,如CH和CH,但其工程应用结果与试验数据比较一致。Li等[33更新了甲醇氧化过程中一些反应速率常数和热力学数据,根据H—O—CO—HCO—CHO—CH—CH—CHOH—CHO—CHOH的路径,构建了甲醇氧化机理,该机理经过了激波管、层流预混火焰、稳定燃烧火焰和流动反应器的试验验证,验证的温度范围为300~2 200 K,压力范围为0.1~2 MPa,当量比范围为0.05~6.0。Liao等[34简化了Held和Dryer提出的甲醇机理,将22个组分和89个基元反应简化到了17个组分和40个基元反应,并通过着火延迟时间、预混层流火焰速度、射流搅拌反应器和流动反应器中的自由基分布来验证机理的准确性,验证的温度范围为823~2 180 K,压力范围为0.005~2.0 MPa,当量比范围为0.2~2.6,模拟结果与试验结果之间的误差在可接受的范围内。Pinzón等[35进行了甲醇氧化的激波管试验,测量了水生成量随时间的变化,试验温度范围为940~1 540 K,压力分别为0.13,1.49 MPa,当量比分别为0.5,1.0和2.0。通过对甲醇氧化过程进行产物生成速率分析(ROP)和敏感性分析(SA),揭示了仿真数据与试验数据的误差来源。

Burke等[36总结了前人对甲醇氧化机理的研究,基于新的试验数据,提出了甲醇氧化的详细动力学模型,并通过其试验结果和前人试验数据对比验证了新的机理。其验证方法包括激波管、快速压缩机和射流搅拌反应器,压力范围为0.1~5 MPa,温度范围为800~1 650 K,当量比范围为0.2~2.0。此外,对层流预混火焰速度的模拟也与Vancoillie等[37的试验数据一致。该机理是详细且经过充分试验验证的甲醇氧化机理,但包含173个组分和1 011个基元反应,对于发动机燃烧过程的三维模拟来说耗时过长。Pichler和Nilsson[38分析了内燃机燃料中小分子醇的氧化路径,提出包含甲醇、乙醇和正丙醇的简化机理,该机理验证的当量比范围为0.7~1.4,压力范围为0.1~4 MPa,温度范围为700~1 700 K。

综上所述,目前关于甲醇掺混富氢混合气的燃烧机理主要集中在合成气机理研究和甲醇机理研究两方面,对甲醇-甲醇裂解气混合燃料的直接研究较少报道。针对甲醇与富氢混合气燃烧的试验值得进一步开展。

2.2 着火延迟时间

早期对富氢混合气着火延迟时间(IDT)的测量主要在低压范围内通过激波管试验完成,这与典型发动机运行条件存在显著差异。随着测量技术的进步,研究人员在更高的压力和温度条件下重新测量了富氢混合气氧化的反应[39。利用快速压缩机(RCM)和激波管在高压条件下的最新试验揭示了测量结果与理论计算之间的差异,主要是由于未能准确分析HO/HO在链式反应中的关键作用,特别是CO+HO====CO+OH反应的影响[40-41。Mansfield和Wooldridge[42使用快速压缩机探究了富氢混合气在低温下的点火特性,试验中H/CO的物质的量之比为0.7,温度范围为870~1 150 K,压力范围为0.3~1.5 MPa,当量比为0.1和0.5。研究发现存在两种不同的点火行为,这些不同的行为分别被归因于空间均匀点火和局部反应的差异。

在当量比为1.6,H/CO比例为50/50的条件下,IDT随着压力(0.8,1.2,3.2 MPa)的变化表现出复杂的行为模式。在高温区域,即温度大于1 250 K时,较高的压力会显著减少IDT。然而,在1 110~1 250 K的中温区间,随着压力从0.16 MPa增加到3.2 MPa,IDT呈现出轻微下降甚至上升的趋势。这主要是因为氢气点火机制中,高温区域主导的链分支反应H+O====O+OH与低温区域主导的与压力密切相关的链传播反应H+O+M====HO+M之间的竞争造成的。在高压环境下,后者的反应更为有利,这抑制了链分支反应,导致在压力增高时IDT反而延长[31

当富氢混合气中含有CO时,CO的存在因活化能的降低而对IDT产生明显的抑制效应。压力从1.5 MPa增加到3 MPa时,CO的抑制效应变得更加显著,压力的增加延迟了CO的氧化过程。当压力超过3 MPa时,抑制效应的增量将不再显著。在氢气浓度较高的情况下,向氢气中添加CO并不会导致IDT显著增长[43

在掺混甲醇裂解气对甲醇燃料燃烧的影响方面,图2显示了在压力p=0.16 MPa,当量比φ=1.0工况下,裂解率分别为0%,30%和50%时,不同温度下甲醇裂解气的着火延迟时间,图中线条表示富氢混合燃料机理模型的计算结果[44。随着裂解率的增大,混合气燃料的着火延迟时间增长;在低温范围内这种影响较为明显,但这种效应会随着温度的升高而减弱。从试验数据来看,在高温范围内更大的甲醇裂解率甚至可以缩短着火延迟时间。

敏感性分析结果如图3所示,在1 050 K和1 300 K时,燃料氧化过程中最重要的基元反应为CHOH+HO====CHOH+HO,在1 500 K时最重要的基元反应为O+H====O+OH。由于甲醇裂解气中存在H,与H相关的基元反应H+OH====H+HO和CHOH+H====CHOH+H在氧化过程中发挥了更重要的作用。CO的影响则相对较小,主要包括基元反应HCO+M====H+CO+M。

在低温下,对着火延迟时间影响最大的基元反应为CHOH+HO====CHOH+HO。当一部分CHOH裂解为H和CO后,CHOH的浓度降低,反应速率下降,着火延迟时间增长。随着温度的升高,O+H====O+OH对总反应速率的影响越来越大,所以CHOH+HO====CHOH+HO增加着火延迟时间的效应变得不那么明显。此外,CHOH+H====CHOH+H的敏感性系数随着温度的升高而增大,该反应增加了着火延迟时间。H的加入抑制了CHOH+H====CHOH+H反应,缩短了着火延迟时间。这就是加入了H在高温和低温下对燃料着火延迟时间影响不同的原因。

2.3 火焰传播速度

层流火焰传播速度(LFS)是由压力、温度、混合物成分以及当量比所决定的[45。在标准温度和压力条件下,富氢混合气与空气混合物的LFS已被广泛研究和报道,这些研究中对LFS值的测量结果具有较好的一致性,其中峰值之间的最大差异约为10 cm/s。然而,随着压力的增加,这种差异变得更加明显。特别是在燃料过浓的条件下(φ>2),H浓度的增加会显著提升LFS。例如,通过在富氢混合气混合物中用H替换20%的CO,LFS最大值可以从约65 cm/s增加至130 cm/s[46

在研究甲烷(CH)与H/CO混合气体时,Zhou等[47对富氢混合气H/CO/CH的火焰传播速度进行了试验测量和数值模拟,试验设置的初始温度为303 K,当量比范围为0.6~1.5,压力范围为0.1~0.5 MPa。测量了体积比为40/40/20和60/26.6/13.3的H/CO/CH混合气体。研究结果表明:Li机制[33与测得的预混富氢混合气火焰的层流火焰传播速度非常吻合,特别是在稀薄燃烧条件下。而在燃料过浓的条件下,预期与试验结果之间有轻微差异。火焰传播速度随着当量比的增加先上升后下降,其峰值随着混合气中H含量的增加而向更高的当量比方向移动,这归因于氢气极高的扩散率[48。当向混合物中添加CH时,由于CH的LFS较低,混合气的LFS峰值向更低的当量比方向移动,并且LFS显著降低。同时,随着混合物中CO份额的增加,LFS受到的影响较小。热力学和化学动力学的分析显示,尽管添加CO对绝热火焰温度有显著影响,但其在化学动力学方面的作用相对较小,这与添加H的效果截然不同[49,H对LFS的影响主要是由于其在中低当量比条件下的化学效应。然而,当添加约75%的CO时,层流火焰速度的提升主要归因于高绝热火焰温度[50

Arroyo等[51在研究汽油、天然气、合成气以及生物气时发现,氢气因其高扩散性、低分子质量和高层流火焰速度,在火焰传播过程中扮演了关键角色。Ji等[52对H与CO比例对O和OH自由基生成的影响进行了探讨,并进一步指出,这一比例的增加,相较于汽油燃烧,加快了富氢混合气燃烧的链式反应速率。具体来说,活性羟基自由基浓度[53以及H+OH+O的摩尔浓度[54会显著影响火焰传播速度,而氢气的加入可提升它们的浓度55。Xiao等通过定容弹的试验测量了甲醇与氢气混合燃料的火焰传播速度,发现增加氢气的掺混比可以提高火焰的传播速度[55,增加初始压力则会使火焰稳定性减弱56

图4显示了作者前期研究中通过仿真计算出的不同掺混比时甲醇与甲醇裂解气混合燃料在不同当量比下的层流火焰速度。对于甲醇燃料而言,层流火焰速度随着当量比的增加先增大后减小,在当量比为1.2附近达到峰值,混合燃料的火焰速度会随着甲醇裂解气掺混比的增加而增加,浓燃料混合气(φ>1)的火焰传播速度对添加甲醇裂解气敏感性高于稀燃料混合气(φ<1)。例如掺混20%的甲醇裂解气在φ=0.8时可提升火焰传播速度12.1 cm/s,而在φ61wP/d2gORTWxBmzVzoLIQ===1.2时可提升火焰传播速度20.3 cm/s。这是由于在浓燃料条件下甲醇裂解气的反应活性高于稀燃料条件下的反应活性,根据前人的研究,当H单独加入碳氢化合物时也会存在类似的现象[57,这种现象可以归因于基准燃料和混合燃料的分子质量差异较大58。此外,随着掺混比的增加,最大火焰传播速度出现的当量比逐渐增加,由于富氢混合气与空气混合燃料火焰传播速度的峰值出现在当量比2.0附近[59,因此在当量比为0.6~1.4的范围内,高掺混比混合燃料的火焰传播速度随着当量比的增加单调递增,增加幅度逐渐变小。

图4 不同掺混比下层流火焰速度随当量比的变化

3 富氢混合燃料发动机性能研究

3.1 缸内火焰传播特性

富氢气体作为燃料燃烧的化学动力学机理已经过了理论分析和试验验证,试验温度和压力已经覆盖了发动机的常用工况[31。氢气相比传统的碳氢化合物燃料有更高的火焰传播速度60,在燃料中加入通过甲醇制取的富氢混合气,可以提高燃料的火焰传播速度55-56,拓宽燃料的稀薄燃烧极限61

燃料的稀薄燃烧极限会随着氢气掺混比例的增加而扩大。当氢气含量达到9%时,过量空气系数可以达到3.0[62。平均指示压力(IMEP)随着过量空气系数的增加而降低[63。掺烧富氢燃料可显著降低稀薄燃烧时IMEP的循环变动(COV)[64-65,过量空气系数较大时该效应更显著66。在甲醇中掺烧富氢混合气还可以降低发动机的爆震倾向67-68

Gong等[62采用中等压缩比的甲醇掺氢发动机研究了甲醇晚喷策略下不同掺氢比例、过量空气系数和点火时刻对燃烧过程和稀薄燃烧极限的影响,燃料加入的方式为氢气预混加入,甲醇缸内直喷。结果表明:掺氢后发动机的点火时刻可以适度推迟,相较于纯甲醇发动机具有更大的调节空间。氢气的加入提升了稀薄燃烧极限,氢气添加量比例越大,稀薄燃烧极限越广。从“氢气辅助燃烧”过渡至“双燃料燃烧”的临界掺氢比约为6%,氢气辅助燃烧可显著增强燃烧稳定性,扩大稀薄燃烧极限[63

在提高氢气含量时,为了避免压力峰值过于接近上止点(TDC),从而影响发动机的工作效率,必须减小点火提前角。Mustafi等[69通过调节点火时刻,在使用汽油、天然气和合成气的各种工作条件下均能够获得最大扭矩。由于富氢混合气的燃烧速度较快,其理想的点火时刻相应更靠近TDC。同样,Arroyo等[51注意到,含有较高氢气比例的合成气在缸内燃烧时会产生更高的压力峰值,且这些峰值出现的时间更接近于TDC,因此在将汽油发动机改造为适用于富氢混合气时,需要相应延后点火时间。Ji等[52的研究中对这些燃烧参数进行了测量,发现富氢混合气的添加相较于汽油减小了着火延迟期和燃烧持续期,这一现象归因于火焰速度的提高。Bika等[70和Ran等[71进行的类似测量也表明,合成气提供了更快的燃烧速率。Bika等[70通过使用H/CO比例分别为100/0,75/25和50/50的合成气,在当量比分别为0.6,0.7和0.8,压缩比分别为6,8和10条件下进行测量,发现燃烧持续期和着火延迟期受所有研究参数影响,尤其是随着H含量的减少和CO含量的增加,燃烧持续期减小、着火延迟期增加,而更高的当量比和压缩比缩短了这两个间隔。

富氢混合气燃烧的稳定性及其低循环变动率(COV)也得到了Arroyo等[51的试验研究证实。他们对比了不同燃料的燃烧性能,结果显示:即使在低负荷和低转速条件下,富氢混合气的燃烧也表现出了较高的稳定性,没有出现失火现象,与甲烷和生物气在相同当量比下的表现形成了鲜明对比。这种稳定的燃烧模式让富氢混合气在稀薄燃烧条件下展现出了特殊的优势。进一步研究表明:在稀薄燃烧条件下使用富氢混合气能够获得更高效率,尤其是当燃料消耗量的减少超过了燃烧过程恶化的影响时更为显著,Mustafi等[69也发现了类似的现象。

3.2 热效率

在氢气对发动机缸内燃烧和热效率的影响方面,添加氢气可以缩短火焰发展期[72,使燃烧重心前移,更接近上止点63,提高最大燃烧放热率73,从而提高最大气缸压力。随着IMEP的提高,扭矩也随之提高[74。然而在低转速下并不总是符合这一规律[75,喷射正时也对发动机的热效率有着重要影响76。较高的火焰传播速度使发动机缸内的热力循环更接近于定容循环,从而提高了发动机的热效率65。Zhang等[72的甲醇发动机掺氢试验结果表明,掺氢后制动热效率(BTE)有所提高,当歧管压力由38 kPa增加到83 kPa时,体积分数3%的掺氢导致BTE增加幅度分别为6.5%和4.2%。Dai等[66的研究显示,在稀燃条件下加入2.5%的富氢混合气可以将发动机效率从35.88%提升至39.54%。

利用发动机的排气余热裂解甲醇制取富氢气体作为发动机燃料也可提升热效率[77。图5给出了在2 500 r/min工况下,某1.3 L甲醇发动机在扭矩为20~100 N·m条件下,甲醇消耗率随掺混比的变化情况[78。从图中可以看出,该负荷条件下,甲醇掺混甲醇裂解气发动机的总甲醇消耗率低于纯甲醇发动机,随着甲醇裂解气掺混比的增加,甲醇消耗率的降低幅度随之增大,综合热效率逐步提升。

图5 不同扭矩时甲醇裂解气掺混比对甲醇消耗率的影响[78

基于尾气余热的制氢装置中温度分布和性能在很大程度上取决于排气温度和进气流速。当温度高于923 K时,发动机和重整器的效率分别增加了8%和超过100%,这表明基础燃料的热值得到了显著提高。然而,在大约873 K的较低温度下,发动机效率虽有4%的提升,重整器效率却未达到100%,这显示在重整过程中有部分能量损失[79

提升压缩比是提升动力性和热效率的另一有效途径。Rakopulos和Michos[80发现在重整气发动机全负荷运行并达到最大压力峰值时,还是存在一定的爆震风险,爆震主要是源于缸内压力而不是温度。Marculescu等[81通过提高空气过量系数至2.2~2.8的方法有效避免了富氢混合气作为燃料的爆震问题。Bika等[70则深入分析了富氢混合气的组成、当量比以及压缩比对爆震触发的影响,研究结果表明,随着CO比例的增加,爆震抵抗力提高,这是因为较高的CO比例意味着混合物的反应性较低。这一发现说明,可以通过采用较高的压缩比来利用富氢混合气的这种抗爆震特性,进而提升发动机的热效率[82

3.3 污染物排放

在污染物排放方面,与传统汽油相比,富氢燃料的火焰传播速度更快,可燃极限更宽,化学反应过程更短,缸内燃烧更充分,因此,CO排放量可能低于汽油发动机[75,83,HC的排放量也相应降低[71,84。然而,由于富氢混合气中含有大量的CO,当使用乙醇裂解产生的富氢混合气作为发动机燃料时,CO排放量也可能会增加[66。富氢气体的火焰传播速度快,燃烧放热速率高,燃烧时的最高温度也更高,而高温是NO形成的重要原因之一,因此,NO排放量有所增加72,75。掺氢扩大了燃料的稀薄燃烧极限,因此可以通过稀薄燃烧或废气再循环降低最高燃烧温度85-86,从而降低NO排放量87。甲醇中掺烧氢气可以减少CO排放量[88。在无负荷的工况下,HC,CO和NO的排放量随着发动机转速的增加而增加89

Zhang等[72通过比较氢气体积分数分别为0%和3%的混合气发现,掺氢后发动机缸内的峰值温度升高,排气阀开口处的缸内温度降低,HC和CO排放量下降,NO排放量略有增加。Nuthan等[88的试验结果也显示了甲醇燃料中掺烧氢气可降低CO,HC和CO的排放量。点火时刻是影响点燃式发动机火焰形成、早期燃烧过程和排放的重要参数[75,通过优化点火提前角可以降低发动机的NO排放量90。Zhen等[91的研究表明:在高压缩比发动机中使用甲醇/氢、乙醇/氢和甲烷/氢混合物作为燃料时,发现甲醇/氢混合燃料的HC和NO排放量高于乙醇/氢和甲烷/氢混合燃料,甲醇/氢和甲烷/氢混合燃料的CO排放量低于乙醇/氢混合燃料。Yu等[92-93发现,氢气以直喷的形式加入可以提高火花塞周围氢气的浓度,分层燃烧可以使点火更迅速更稳定[94,从而减少CO和HC排放[95,改善PM排放[96,但降低NO排放则需要通过EGR实现[97。姚春德等98的研究结果表明:甲醇裂解气的主要成分为H和CO,当过量空气系数高于1.4时,NO排放量减少90%,CO排放量显著降低。

4 总结与展望

综上所述,虽然氢是一种零碳清洁燃料,但作为交通运输领域的燃料,如今仍然面临着存储运输成本高、泄漏以及爆炸风险的挑战。本研究介绍了以甲醇作为氢能的载体应用于动力系统的富氢混合气发动机及其燃料特点,总结了甲醇掺混富氢混合气基础燃烧及其在发动机缸内的燃烧特性,分析了燃烧特性对发动机性能的影响并介绍了最新的研究进展。利用发动机尾气余热将甲醇裂解为富氢混合燃料,再使其通过进气道进入发动机缸内与甲醇混合燃烧,可以利用部分排气余热,提高能量转换效率,降低排放。该技术能够利用现有发动机技术和燃油供应基础设施,有着广泛的应用前景。同时,还有以下研究值得进一步开展:

1) 进行更多富氢混合燃料的试验,用以标定和优化适用于发动机缸内燃烧三维仿真的简化机理模型,包括测量着火延迟时间的快速压缩机试验,测量火焰传播速度的定容弹试验和测量组分浓度变化的射流搅拌试验等;

2) 通过调控燃料喷射、点火和气体流动等各项参数,优化富氢混合气发动机缸内混合气的流动和燃烧过程,实现发动机在更宽广的工况下高效清洁燃烧;

3) 制取甲醇裂解气的催化反应受到空速和温度的影响,甲醇裂解气成分的稳定性及其与缸内燃烧过程、尾气流速和温度的匹配值得进一步的研究与优化。

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Study Progress of Engine In-Cylinder Combustion Characteristics for Methanol Blended with Hydrogen-Rich Mixtures

CHEN Yexin1,2,JIANG Yankun1,ZHANG Beidong1

(1.School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.School of Industrial Design,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

Abstract: Methanol is a kind of clean and renewable energy source and a liquid energy carrier at ambient conditions, which offers immense potential in the field of energy propulsion. The technology by using engine waste heat to decompose methanol into hydrogen-rich mixture and subsequently injecting into the engine cylinder for combustion can enhance energy efficiency and reduce pollutant emissions. The effects of blending the hydrogen-rich gas on the fundamental combustion properties of methanol fuel were given in terms of oxidation mechanisms, ignition delay time, and flame propagation speed. Considering that the combustion of hydrogen-rich mixture promoted faster flame propagation and extended the lean burn limit, the changing laws of in-cylinder flame propagation, combustion heat release, cycle efficiency, and pollutant emissions were delineated. The study laid theoretical groundwork and provided practical support for controlling the combustion process of fuel blended with hydrogen-rich gas and its application in SI engines, which was of great significance in the era of energy security and dual-carbon green development.

Key words: methanol engine;hydrogen-rich mixture;combustion;thermal efficiency;emission

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