王明月，馬凡華

（1.一汽大眾汽車有限公司，長(zhǎng)春 130011；2.清華大學(xué)汽車工程系，北京 100084）

焦?fàn)t氣是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品。煉焦企業(yè)除了將其用作能源進(jìn)行發(fā)電、民用和商用外，還可用于化工燃料生產(chǎn)甲醇或合成氨。但每年仍有約300億m3的焦?fàn)t氣直接排放燃燒，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失近百億元。這不但浪費(fèi)了寶貴的資源，更對(duì)環(huán)境與人民的健康造成了嚴(yán)重的危害。因此，合理利用焦?fàn)t氣，對(duì)于節(jié)能減排具有顯著意義。焦?fàn)t氣的利用要從其組成及特性出發(fā)來選擇合適的途徑，焦?fàn)t氣是混合物，其產(chǎn)率和組成因煉焦用煤質(zhì)量和焦化過程條件不同而有所差別。焦?fàn)t氣的主要成分見表1。從表1中可以看到，焦?fàn)t煤氣富含氫氣和甲烷。

表1 焦?fàn)t氣的主要成分

在焦?fàn)t氣的各種利用途徑中，深加工附加值較高的產(chǎn)品才是最佳出路。將焦?fàn)t煤氣回收凈化用為車用，成為用戶及早使用接近商業(yè)化的富氫氣體燃料汽車的一個(gè)途徑，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都是可取的。 HCNG（Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas），是將氫氣與天然氣（CH4）按照一定比例混合而成的車用代用氣體燃料。本文以焦?fàn)t氣作為車用HCNG燃料的工業(yè)來源，將其進(jìn)行甲烷化與適當(dāng)?shù)奶峒兒?，視為體積摻氫比為55%的HCNG燃料。在6缸增壓火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示55%摻氫比HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的稀薄燃燒特性，并與純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與30%低摻氫比HCNG燃料特性進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)方法為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷以進(jìn)氣管絕對(duì)壓力MAP表示而非傳統(tǒng)的節(jié)氣門開度，這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)對(duì)象為增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由于增壓器的作用，只保持節(jié)氣門開度不變不能獲得固定的進(jìn)氣量［1］。具體試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況

1 55%摻氫比HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃極限

利用稀薄燃燒方式提高燃料的經(jīng)濟(jì)性與排放性是HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的一大優(yōu)勢(shì)。但是火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)在稀薄燃燒時(shí)，由于火花點(diǎn)火瞬間電極間隙處氣流運(yùn)動(dòng)的變化，對(duì)火核的產(chǎn)生有較大影響，從而影響到整個(gè)燃燒過程，致使氣缸內(nèi)的壓力出現(xiàn)較大變動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性發(fā)生惡化，影響車輛操控性和舒適性，燃油消耗率增加，輸出功率降低［2，3］，因此循環(huán)變動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄燃燒技術(shù)需要重點(diǎn)考慮的問題。

圖1給出了55%摻氫比對(duì)不同過量空氣系數(shù)下的缸內(nèi)平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COVimep影響。由圖1中可看出，當(dāng)λ＜1.6時(shí)，各種燃料的COVimep均比較低，小于2.5%，當(dāng)過量空氣系數(shù)λ＞1.6后，55%摻氫比的COVimep遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CNG與30%HCNG燃料，并且這種趨勢(shì)在混合氣越稀的時(shí)候越明顯。55%摻氫比HCNG燃料COVimep的這種變化規(guī)律意味著其稀燃極限得以大大地拓寬。可以采用下圖來說明：在燃用55%HCNG，MAP為105 kPa的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限為2.5，遠(yuǎn)大于燃用純CNG與體積比30%HCNG時(shí)稀燃極限1.71與2.09。這種對(duì)稀燃極限的拓寬效果十分顯著，究其原因是由于摻氫大大加快了混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

過量空氣系數(shù)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的一個(gè)重要因素，過大的過量空氣系數(shù)會(huì)使得燃燒過程中缸內(nèi)混合氣體的濃度和氣流分布不均勻，尤其在火花塞附近，這會(huì)對(duì)初始火核的形成和發(fā)展極為不利，使得混合氣的層流燃燒速度及缸內(nèi)的湍流燃燒速度顯著變慢，不利于維持燃燒的穩(wěn)定。由于這種不利條件的作用，氣流運(yùn)動(dòng)或混合氣成分的微小變動(dòng)都會(huì)帶來燃燒過程和動(dòng)力輸出的較大波動(dòng)，使得COVimep升高。然而，由于氫氣比天然氣擁有更快的燃燒速度和更小的點(diǎn)火能量，因此高摻氫比HCNG混合氣的燃燒速度可以得到顯著地提高，并僅需要較小的點(diǎn)火能量，這就減輕了上述微小變動(dòng)對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，從而降低COVimep。

本文中將點(diǎn)火時(shí)刻到累積放熱量達(dá)10%所持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角定義為火焰發(fā)展期；將累積放熱量由10%到90%所持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角定義為快速燃燒期［4］。

從圖2和圖3可以看出：在同一過量空氣系數(shù)下55%摻氫比HCNG燃料的火焰發(fā)展和傳播速度明顯快于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與30%低摻氫比HCNG燃料，使其火焰發(fā)展期和快速燃燒期均明顯縮短。并且這種趨勢(shì)在混合氣越稀的工況下越突出。這主要是由于氫氣的摻入提供了大量的H和OH活性基元，使得燃燒反應(yīng)的發(fā)生更容易、更快速，從而縮短了燃燒持續(xù)期［5］。另外從圖2和圖3還可看出，55%摻氫HCNG燃料在混合氣相對(duì)較濃時(shí)，火焰發(fā)展期的縮短要明顯于快速燃燒期。這主要是由于摻氫帶來的H和OH等活性基元可以顯著加快火焰的層流燃燒速度，而這對(duì)火焰還沒有完全成湍流狀態(tài)的火焰發(fā)展期促進(jìn)作用尤為明顯。

隨著λ的增大，火焰發(fā)展期與快速燃燒期也逐步變大。這表明混合氣過稀不利于火核的形成與發(fā)展［6］。而且當(dāng)λ＞1.7時(shí)，各燃料的快速燃燒期曲線開始明顯分離，快速燃燒期延長(zhǎng)的變化速率要明顯加快，這說明此時(shí)摻氫使缸內(nèi)湍流燃燒速度明顯加快，縮短快速燃燒期。摻氫加快湍流燃燒速度是由層流燃燒速度的增加引起的，而在混合氣較濃和很稀的情況下增加程度的不同是因?yàn)閷恿魅紵俣葘?duì)湍流燃燒的影響在這兩種情況下有所不同。當(dāng)混合氣很稀時(shí)，缸內(nèi)溫度壓力都會(huì)很低，此時(shí)更快的火焰發(fā)展期更有利于保證一個(gè)穩(wěn)定的快速燃燒過程。

圖4顯示了55%高摻氫比HCNG燃料在不同過量空氣系數(shù)下的燃燒持續(xù)期曲線。從圖4中我們可以看到：當(dāng)達(dá)到稀燃極限時(shí)55%高摻氫比HCNG燃料與CNG和30%HCNG的燃燒持續(xù)期基本一致，即稀燃極限時(shí)的燃燒持續(xù)期隨摻氫比變化不大［7］。

2 55%摻氫比HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性與熱效率

圖5給出了55%高摻氫比HCNG燃料在不同過量空氣系數(shù)下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率曲線與純天然氣和30%HCNG燃料的對(duì)比圖。從圖5可以看出，隨著過量空氣系數(shù)λ的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不斷下降，這是因?yàn)楸疚氖峭ㄟ^改變噴射脈寬來改變過量空氣系數(shù)λ的。λ增大則噴氣量減少，致使輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的能量減少。而且當(dāng)λ＜1.6，由于摻氫降低了混合氣的體積熱值，致使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下降；而λ＞1.6時(shí)，由于混合氣過稀，純天然氣的燃燒速度減慢，摻氫有利于提高燃燒速度，改善不完全燃燒，反使燃燒效率和熱功轉(zhuǎn)換效率都有所提高，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率更高。

圖6顯示了在最佳點(diǎn)火提前角下，55%高摻氫比HCNG燃料在不同過量空氣系數(shù)下的指示熱效率曲線。從圖6中可以看出：由于55%摻氫比HCNG燃料燃燒速度，燃燒等容度更好，使得55%摻氫比HCNG燃料的提高指示熱效率在很大的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)均能有所提高［8-9］，另外摻氫還提高了混合氣的稀燃能力，使得在λ＞1.6時(shí)55%高摻氫比HCNG燃料指示熱效率的優(yōu)勢(shì)更為明顯。然而由于55%摻氫比燃料燃燒時(shí)缸內(nèi)溫度高，傳熱損失大。這將減弱這一趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本文在6缸增壓火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上研究分析了55%摻氫比HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃特性，并與純CNG和30%低摻氫比HCNG燃料特性進(jìn)行了對(duì)比。得出以下結(jié)論：

（1）在進(jìn)氣管壓力MAP值為105 kPa的情況下，55%摻氫比HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限為2.5，遠(yuǎn)大于CNG與體積摻氫比30%HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限1.71與2.09。

（2）在同一過量空氣系數(shù)下55%摻氫比HCNG燃料的火焰發(fā)展和傳播速度明顯快于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與30%低摻氫比HCNG燃料，使其火焰發(fā)展期和快速燃燒期均明顯縮短。且這種趨勢(shì)在混合氣越稀的工況越突出。當(dāng)混合氣相對(duì)較濃時(shí)，55%摻氫比HCNG燃料對(duì)縮短火焰發(fā)展期的貢獻(xiàn)要明顯大于對(duì)縮短快速燃燒期的貢獻(xiàn)。當(dāng)達(dá)到稀燃極限時(shí)55%高摻氫比HCNG燃料與CNG和30%HCNG的燃燒持續(xù)期基本一致。

（3）隨著過量空氣系數(shù)λ的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不斷下降，在過量空氣系數(shù)λ＞1.6時(shí)，55%摻氫比HCNG燃料由于燃燒速度快，提高了燃燒效率和熱功轉(zhuǎn)換效率，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率反會(huì)升高。

（4）55%摻氫比HCNG燃料可以在很大的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)提高指示熱效率，提高混合氣的稀燃能力，在λ＞1.6時(shí)55%高摻氫比HCNG燃料指示熱效率的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

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