摘要：甲醇是一種清潔可再生能源，也是一種常溫常壓下為液態(tài)的能量載體，在能源動力領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。利用發(fā)動機(jī)余熱將甲醇裂解為富氫混合氣，再摻入發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒的技術(shù)可提高能源利用效率，減少污染物排放?；谌剂咸攸c(diǎn)，從氧化機(jī)理、著火延遲時間、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊确矫娼o出了摻混富氫氣體對甲醇燃料基礎(chǔ)燃燒特性的影響?？紤]到富氫氣體的摻混燃燒有利于加快火焰?zhèn)鞑ニ俣燃皵U(kuò)展稀薄燃燒極限，給出了發(fā)動機(jī)缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ァ⑷紵艧?、循環(huán)效率、污染物排放等方面的變化規(guī)律。本研究為甲醇摻混富氫混合氣燃燒過程調(diào)控及其在點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和應(yīng)用支撐，在保能源安全及“雙碳”綠色發(fā)展時代背景下具有重要意義。

關(guān)鍵詞：甲醇發(fā)動機(jī)；富氫混合氣；燃燒；熱效率；排放

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.001

中圖分類號：TK427 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2222（2024）05-0001-11

面對我國“缺油、少氣、富煤”的資源稟賦，如何在保障國家能源供應(yīng)的同時，降低對環(huán)境的影響成為了一個迫切需要解決的問題^［1］。發(fā)展清潔能源、提高能源利用效率以及降低碳排放是當(dāng)前我國能源政策的重要內(nèi)容。因此，尋找一種具有較高能量密度、低污染、可持續(xù)的替代能源，成為了我國能源領(lǐng)域的研究重點(diǎn)^［2］。

甲醇是一種具有高能量密度、易儲存和運(yùn)輸?shù)奶娲剂稀Ｗ鳛闅涞妮d體，甲醇可以通過裂解或者重整制氫，將氫轉(zhuǎn)化為更容易儲存和運(yùn)輸?shù)男问?，為燃料電池汽車提供理想的能源選擇。由于其在常溫常壓下呈液態(tài)，因此儲存和運(yùn)輸過程相對簡便，可以利用現(xiàn)有的石油基礎(chǔ)設(shè)施^［3］。容器儲氫則需要解決加壓和低溫的問題^［4］。此外，甲醇具有較低的污染排放，可以顯著降低汽車尾氣排放對環(huán)境和人體健康的影響。甲醇可以從煤炭、天然氣和生物質(zhì)等多種資源中合成得到，具有較強(qiáng)的資源可持續(xù)性，還可以由二氧化碳與通過可再生能源制取的氫氣合成制取^［5-6］。因此，甲醇作為清潔燃料在新能源汽車領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，被譽(yù)為“液態(tài)陽光”^［7］。

當(dāng)甲醇作為發(fā)動機(jī)燃料使用時，其燃燒過程產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锱欧欧N類與汽油相似，但排放量顯著低于更復(fù)雜的碳?xì)浠衔锶剂?，展現(xiàn)出在改善空氣質(zhì)量方面的顯著優(yōu)勢^［8］。甲醇燃燒的主要特性包括較高的汽化熱、較低的空燃比（AFR）、較快的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、較高的辛烷值及較低的碳?xì)浔鹊?sup>［9^］。根據(jù)當(dāng)前的發(fā)動機(jī)基準(zhǔn)測試（EBTs）和車輛駕駛測試（CDTs）結(jié)果可知，在絕大多數(shù)情況下，使用甲醇的發(fā)動機(jī)排放的一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和顆粒物（PM）量均低于汽油發(fā)動機(jī)，且二氧化碳（CO）排放量也相應(yīng)減少^［10］。這些燃燒特性的變化會因發(fā)動機(jī)類型、冷卻條件、運(yùn)行條件以及催化轉(zhuǎn)換器等因素的不同而異。然而，普遍趨勢表明，采用甲醇作為發(fā)動機(jī)燃料，在節(jié)能減排方面具有極大的潛力^［11］。

2019年3月工信部等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，鼓勵發(fā)展甲醇汽車和車用甲醇燃料。2020年4月中央政治局會議強(qiáng)調(diào)做好的“六保”之一就包括“保能源安全”。2022年3月23日《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021～2035年）》要求擴(kuò)大工業(yè)領(lǐng)域氫能替代化石能源應(yīng)用規(guī)模，積極引導(dǎo)合成甲醇、煉化等行業(yè)由高碳工藝向低碳工藝轉(zhuǎn)變。在“碳達(dá)峰”與“碳中和”的時代背景下，開展甲醇在發(fā)動機(jī)內(nèi)的高效清潔燃燒研究有著重要意義。

1 富氫混合氣發(fā)動機(jī)及其燃料

在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，大約有30%的燃料能量以熱廢氣的形式耗散。通過對這部分熱能進(jìn)行回收，并利用其對發(fā)動機(jī)燃料進(jìn)行重整或者裂解，可以生成熱值更高的富氫混合氣體^［12］。該概念已經(jīng)通過使用不同裝置的多項(xiàng)研究得到了探索^［13］。Fennel等^［14］設(shè)計了一個與多缸GDI發(fā)動機(jī)集成的、全尺寸的汽油重整器原型。該原型由裝載了3.3%Pt/1.7%Rd的5塊金屬催化劑板組成，并通過在三元催化劑（TWC）后方安裝重整器來實(shí)現(xiàn)。利用廢氣再循環(huán)（EGR）回路將部分發(fā)動機(jī)排氣作為進(jìn)料氣體引入重整器中，所產(chǎn)生的重整氣隨后被送入發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管（R-EGR）。在GDI發(fā)動機(jī)中，與傳統(tǒng)EGR相比，R-EGR在提升發(fā)動機(jī)效率、降低NO和PM排放方面顯示出優(yōu)勢，這歸功于稀薄燃燒極限的擴(kuò)展。有研究者提出，在GDI發(fā)動機(jī)中應(yīng)用縮小尺寸策略和增壓裝置進(jìn)行廢氣燃料重整是非常有益的，因?yàn)檫@樣可以將操作IMEP轉(zhuǎn)移到更高負(fù)荷下，進(jìn)而提升排氣溫度^［15］。

作為一種不含C—C鍵的燃料，甲醇的重整溫度低于乙醇，這一特性使其多年來成為重整應(yīng)用研究的重點(diǎn)。因此，甲醇重整氣體可以作為發(fā)動機(jī)的獨(dú)立燃料使用^［9］。Poran等^［16］探究了車載甲醇蒸氣重整（MSR）技術(shù)及其與高壓熱化學(xué)回收系統(tǒng)（TCR）結(jié)合使用，通過直接噴射方式引入內(nèi)燃機(jī)的效果。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用100%甲醇蒸氣重整產(chǎn)品作為直噴點(diǎn)燃式（DISI）發(fā)動機(jī)燃料時，發(fā)動機(jī)的指示效率提高了18%～39%。與使用汽油相比，在廣泛的發(fā)動機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi)，NO，CO，HC和CO的排放量分別降低了73%～94%，90%～95%，85%～97%和10%～25%^［17］。Liao和Horng^［18］利用一臺四缸自然吸氣發(fā)動機(jī)的排氣余熱，在573 K的重整溫度下，通過CuO-ZnO/AlO催化劑進(jìn)行MSR反應(yīng)。研究結(jié)果顯示：甲醇的最大轉(zhuǎn)化率達(dá)到93%，產(chǎn)生的氫氣摩爾流速約為1.34 mol/min，水碳比（S/C）為1.2。Nguyen等^［19］通過數(shù)值仿真比較了使用甲醇和乙醇作為重整燃料加入發(fā)動機(jī)燃燒的效率。結(jié)果表明：在更高的重整比例下，與甲醇蒸氣重整相比，乙醇蒸氣重整產(chǎn)生的氫氣和一氧化碳（H/CO）以及氫氣和二氧化碳（H/CO）的比例更高，因此發(fā)動機(jī)效率也得以提升。

本研究中前期發(fā)現(xiàn)：以甲醇為發(fā)動機(jī)燃料，利用發(fā)動機(jī)尾氣余熱將適量的甲醇裂解生成以氫氣為主要成分的富氫混合氣，引進(jìn)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)參與燃燒，可減少發(fā)動機(jī)排放、降低發(fā)動機(jī)油耗^［20-21］。以此技術(shù)為基礎(chǔ)的動力系統(tǒng)稱為“醇?xì)鋭恿ο到y(tǒng)”^［22］。具體來說，首先利用發(fā)動機(jī)的尾氣余熱氣化和催化裂解甲醇，生成物質(zhì)的量比例為2∶1的氫氣（H）和一氧化碳（CO）的混合物，然后將該甲醇裂解氣通過進(jìn)氣道加入到發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)與燃料混合燃燒，如圖1所示^［23］。甲醇裂解氣中氣體組分的性質(zhì)如表1所示^［24-25］，可以看出氫氣的可燃極限更寬，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，點(diǎn)火能量更低。

該方法相較于甲醇水蒸氣重整制氫作為發(fā)動機(jī)燃料而言主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）甲醇裂解氣的成分要求和對催化劑的性能要求均低于甲醇重整制氫方案；（2）作為移動裂解裝置時，無需攜帶甲醇水蒸氣重整制氫的純水罐；（3）甲醇裂解反應(yīng)可提升21%的燃料熱值，大于甲醇重整反應(yīng)的13%；（4）甲醇裂解的產(chǎn)物均為可燃?xì)怏w，理想情況下不包含會稀釋燃料的CO氣體。

綜合上述討論，通過利用發(fā)動機(jī)尾氣余熱制備富氫混合氣，并將其混合到發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒，能夠提高燃料的熱值，改善發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的燃燒過程，提升熱效率，并減少污染物排放。當(dāng)前關(guān)于甲醇發(fā)動機(jī)的文獻(xiàn)綜述主要集中在純甲醇發(fā)動機(jī)的研究上，對甲醇摻氫發(fā)動機(jī)的研究僅有少量提及^{［9，26］}，缺乏對于通過甲醇重整或裂解制得的富氫混合氣發(fā)動機(jī)的研究綜述。接下來將從富氫混合燃料的基礎(chǔ)燃燒特性及其在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒的應(yīng)用兩個方面，分析當(dāng)前的研究進(jìn)展。

2 富氫混合燃料基礎(chǔ)燃燒特性研究

2.1 氧化機(jī)理模型

為了深入研究摻混富氫混合氣對燃料燃燒過程的影響，需要構(gòu)建燃料的氧化機(jī)理模型^［27］。該模型是由一系列的基元反應(yīng)及其熱力學(xué)參數(shù)構(gòu)成，它們共同表示了燃料組分和空氣組分在原子和分子層面的化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)過程中的各種組分^［28］。機(jī)理模型可以用來模擬發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的點(diǎn)火、火焰?zhèn)鞑?、中間產(chǎn)物的生成和最終的排放物^［29］。

由于針對甲醇摻混富氫混合氣混合燃料的動力學(xué)機(jī)理研究較少，故主要總結(jié)了當(dāng)前對甲醇和合成氣的氧化機(jī)理研究。Thi等^［30］通過激波yvgQr3PofHlyyqsF0VLgsA==管試驗(yàn)測量了在870～1 350 K，壓力為0.2，1.0，2.0 MPa，當(dāng)量比為0.3，1.0和1.5的條件下，不同成分的合成氣的著火延遲時間。Kéromnès等^［31］更新了H/CO/O/N/AR系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并通過激波管、快速壓縮機(jī)和定容彈等試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)理的準(zhǔn)確性，其壓力范圍為0.1～7 MPa，溫度范圍為914～2 220 K，當(dāng)量比范圍為0.1～4.0。

Held和Dryer^［32］首次進(jìn)行了甲醇的氧化機(jī)理研究，對其進(jìn)行驗(yàn)證的試驗(yàn)溫度范圍為633～2 050 K，壓力范圍為0.026～2 MPa，當(dāng)量比范圍為0.05～2.6。試驗(yàn)驗(yàn)證包括激波管、流動反應(yīng)器、穩(wěn)定燃燒火焰和層流預(yù)混火焰等。雖然該機(jī)理中忽略了一些自由基，如CH和CH，但其工程應(yīng)用結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較一致。Li等^［33］更新了甲醇氧化過程中一些反應(yīng)速率常數(shù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，根據(jù)H—O—CO—HCO—CHO—CH—CH—CHOH—CHO—CHOH的路徑，構(gòu)建了甲醇氧化機(jī)理，該機(jī)理經(jīng)過了激波管、層流預(yù)混火焰、穩(wěn)定燃燒火焰和流動反應(yīng)器的試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證的溫度范圍為300～2 200 K，壓力范圍為0.1～2 MPa，當(dāng)量比范圍為0.05～6.0。Liao等^［34］簡化了Held和Dryer提出的甲醇機(jī)理，將22個組分和89個基元反應(yīng)簡化到了17個組分和40個基元反應(yīng)，并通過著火延遲時間、預(yù)混層流火焰速度、射流攪拌反應(yīng)器和流動反應(yīng)器中的自由基分布來驗(yàn)證機(jī)理的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證的溫度范圍為823～2 180 K，壓力范圍為0.005～2.0 MPa，當(dāng)量比范圍為0.2～2.6，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差在可接受的范圍內(nèi)。Pinzón等^［35］進(jìn)行了甲醇氧化的激波管試驗(yàn)，測量了水生成量隨時間的變化，試驗(yàn)溫度范圍為940～1 540 K，壓力分別為0.13，1.49 MPa，當(dāng)量比分別為0.5，1.0和2.0。通過對甲醇氧化過程進(jìn)行產(chǎn)物生成速率分析（ROP）和敏感性分析（SA），揭示了仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差來源。

Burke等^［36］總結(jié)了前人對甲醇氧化機(jī)理的研究，基于新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了甲醇氧化的詳細(xì)動力學(xué)模型，并通過其試驗(yàn)結(jié)果和前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了新的機(jī)理。其驗(yàn)證方法包括激波管、快速壓縮機(jī)和射流攪拌反應(yīng)器，壓力范圍為0.1～5 MPa，溫度范圍為800～1 650 K，當(dāng)量比范圍為0.2～2.0。此外，對層流預(yù)混火焰速度的模擬也與Vancoillie等^［37］的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。該機(jī)理是詳細(xì)且經(jīng)過充分試驗(yàn)驗(yàn)證的甲醇氧化機(jī)理，但包含173個組分和1 011個基元反應(yīng)，對于發(fā)動機(jī)燃燒過程的三維模擬來說耗時過長。Pichler和Nilsson^［38］分析了內(nèi)燃機(jī)燃料中小分子醇的氧化路徑，提出包含甲醇、乙醇和正丙醇的簡化機(jī)理，該機(jī)理驗(yàn)證的當(dāng)量比范圍為0.7～1.4，壓力范圍為0.1～4 MPa，溫度范圍為700～1 700 K。

綜上所述，目前關(guān)于甲醇摻混富氫混合氣的燃燒機(jī)理主要集中在合成氣機(jī)理研究和甲醇機(jī)理研究兩方面，對甲醇-甲醇裂解氣混合燃料的直接研究較少報道。針對甲醇與富氫混合氣燃燒的試驗(yàn)值得進(jìn)一步開展。

2.2 著火延遲時間

早期對富氫混合氣著火延遲時間（IDT）的測量主要在低壓范圍內(nèi)通過激波管試驗(yàn)完成，這與典型發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件存在顯著差異。隨著測量技術(shù)的進(jìn)步，研究人員在更高的壓力和溫度條件下重新測量了富氫混合氣氧化的反應(yīng)^［39］。利用快速壓縮機(jī)（RCM）和激波管在高壓條件下的最新試驗(yàn)揭示了測量結(jié)果與理論計算之間的差異，主要是由于未能準(zhǔn)確分析HO/HO在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的關(guān)鍵作用，特別是CO+HO====CO+OH反應(yīng)的影響^［40-41］。Mansfield和Wooldridge^［42］使用快速壓縮機(jī)探究了富氫混合氣在低溫下的點(diǎn)火特性，試驗(yàn)中H/CO的物質(zhì)的量之比為0.7，溫度范圍為870～1 150 K，壓力范圍為0.3～1.5 MPa，當(dāng)量比為0.1和0.5。研究發(fā)現(xiàn)存在兩種不同的點(diǎn)火行為，這些不同的行為分別被歸因于空間均勻點(diǎn)火和局部反應(yīng)的差異。

在當(dāng)量比為1.6，H/CO比例為50/50的條件下，IDT隨著壓力（0.8，1.2，3.2 MPa）的變化表現(xiàn)出復(fù)雜的行為模式。在高溫區(qū)域，即溫度大于1 250 K時，較高的壓力會顯著減少IDT。然而，在1 110～1 250 K的中溫區(qū)間，隨著壓力從0.16 MPa增加到3.2 MPa，IDT呈現(xiàn)出輕微下降甚至上升的趨勢。這主要是因?yàn)闅錃恻c(diǎn)火機(jī)制中，高溫區(qū)域主導(dǎo)的鏈分支反應(yīng)H+O====O+OH與低溫區(qū)域主導(dǎo)的與壓力密切相關(guān)的鏈傳播反應(yīng)H+O+M====HO+M之間的競爭造成的。在高壓環(huán)境下，后者的反應(yīng)更為有利，這抑制了鏈分支反應(yīng)，導(dǎo)致在壓力增高時IDT反而延長^［31］。

當(dāng)富氫混合氣中含有CO時，CO的存在因活化能的降低而對IDT產(chǎn)生明顯的抑制效應(yīng)。壓力從1.5 MPa增加到3 MPa時，CO的抑制效應(yīng)變得更加顯著，壓力的增加延遲了CO的氧化過程。當(dāng)壓力超過3 MPa時，抑制效應(yīng)的增量將不再顯著。在氫氣濃度較高的情況下，向氫氣中添加CO并不會導(dǎo)致IDT顯著增長^［43］。

在摻混甲醇裂解氣對甲醇燃料燃燒的影響方面，圖2顯示了在壓力p=0.16 MPa，當(dāng)量比φ=1.0工況下，裂解率分別為0%，30%和50%時，不同溫度下甲醇裂解氣的著火延遲時間，圖中線條表示富氫混合燃料機(jī)理模型的計算結(jié)果^［44］。隨著裂解率的增大，混合氣燃料的著火延遲時間增長；在低溫范圍內(nèi)這種影響較為明顯，但這種效應(yīng)會隨著溫度的升高而減弱。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，在高溫范圍內(nèi)更大的甲醇裂解率甚至可以縮短著火延遲時間。

敏感性分析結(jié)果如圖3所示，在1 050 K和1 300 K時，燃料氧化過程中最重要的基元反應(yīng)為CHOH+HO====CHOH+HO，在1 500 K時最重要的基元反應(yīng)為O+H====O+OH。由于甲醇裂解氣中存在H，與H相關(guān)的基元反應(yīng)H+OH====H+HO和CHOH+H====CHOH+H在氧化過程中發(fā)揮了更重要的作用。CO的影響則相對較小，主要包括基元反應(yīng)HCO+M====H+CO+M。

在低溫下，對著火延遲時間影響最大的基元反應(yīng)為CHOH+HO====CHOH+HO。當(dāng)一部分CHOH裂解為H和CO后，CHOH的濃度降低，反應(yīng)速率下降，著火延遲時間增長。隨著溫度的升高，O+H====O+OH對總反應(yīng)速率的影響越來越大，所以CHOH+HO====CHOH+HO增加著火延遲時間的效應(yīng)變得不那么明顯。此外，CHOH+H====CHOH+H的敏感性系數(shù)隨著溫度的升高而增大，該反應(yīng)增加了著火延遲時間。H的加入抑制了CHOH+H====CHOH+H反應(yīng)，縮短了著火延遲時間。這就是加入了H在高溫和低溫下對燃料著火延遲時間影響不同的原因。

2.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋↙FS）是由壓力、溫度、混合物成分以及當(dāng)量比所決定的^［45］。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下，富氫混合氣與空氣混合物的LFS已被廣泛研究和報道，這些研究中對LFS值的測量結(jié)果具有較好的一致性，其中峰值之間的最大差異約為10 cm/s。然而，隨著壓力的增加，這種差異變得更加明顯。特別是在燃料過濃的條件下（φ＞2），H濃度的增加會顯著提升LFS。例如，通過在富氫混合氣混合物中用H替換20%的CO，LFS最大值可以從約65 cm/s增加至130 cm/s^［46］。

在研究甲烷（CH）與H/CO混合氣體時，Zhou等^［47］對富氫混合氣H/CO/CH的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行了試驗(yàn)測量和數(shù)值模擬，試驗(yàn)設(shè)置的初始溫度為303 K，當(dāng)量比范圍為0.6～1.5，壓力范圍為0.1～0.5 MPa。測量了體積比為40/40/20和60/26.6/13.3的H/CO/CH混合氣體。研究結(jié)果表明：Li機(jī)制^［33］與測得的預(yù)混富氫混合氣火焰的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅Ｎ呛希貏e是在稀薄燃燒條件下。而在燃料過濃的條件下，預(yù)期與試驗(yàn)結(jié)果之間有輕微差異。火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著當(dāng)量比的增加先上升后下降，其峰值隨著混合氣中H含量的增加而向更高的當(dāng)量比方向移動，這歸因于氫氣極高的擴(kuò)散率^［48］。當(dāng)向混合物中添加CH時，由于CH的LFS較低，混合氣的LFS峰值向更低的當(dāng)量比方向移動，并且LFS顯著降低。同時，隨著混合物中CO份額的增加，LFS受到的影響較小。熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)的分析顯示，盡管添加CO對絕熱火焰溫度有顯著影響，但其在化學(xué)動力學(xué)方面的作用相對較小，這與添加H的效果截然不同^［49］，H對LFS的影響主要是由于其在中低當(dāng)量比條件下的化學(xué)效應(yīng)。然而，當(dāng)添加約75%的CO時，層流火焰速度的提升主要?dú)w因于高絕熱火焰溫度^［50］。

Arroyo等^［51］在研究汽油、天然氣、合成氣以及生物氣時發(fā)現(xiàn)，氫氣因其高擴(kuò)散性、低分子質(zhì)量和高層流火焰速度，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中扮演了關(guān)鍵角色。Ji等^［52］對H與CO比例對O和OH自由基生成的影響進(jìn)行了探討，并進(jìn)一步指出，這一比例的增加，相較于汽油燃燒，加快了富氫混合氣燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率。具體來說，活性羥基自由基濃度^［53］以及H+OH+O的摩爾濃度^［54］會顯著影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?，而氫氣的加入可提升它們的濃?sup>［^55］。Xiao等通過定容彈的試驗(yàn)測量了甲醇與氫氣混合燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋l(fā)現(xiàn)增加氫氣的摻混比可以提高火焰的傳播速度^［55］，增加初始壓力則會使火焰穩(wěn)定性減弱^［56］。

圖4顯示了作者前期研究中通過仿真計算出的不同摻混比時甲醇與甲醇裂解氣混合燃料在不同當(dāng)量比下的層流火焰速度。對于甲醇燃料而言，層流火焰速度隨著當(dāng)量比的增加先增大后減小，在當(dāng)量比為1.2附近達(dá)到峰值，混合燃料的火焰速度會隨著甲醇裂解氣摻混比的增加而增加，濃燃料混合氣（φ＞1）的火焰?zhèn)鞑ニ俣葘μ砑蛹状剂呀鈿饷舾行愿哂谙∪剂匣旌蠚猓é眨?）。例如摻混20%的甲醇裂解氣在φ=0.8時可提升火焰?zhèn)鞑ニ俣?2.1 cm/s，而在φ61wP/d2gORTWxBmzVzoLIQ===1.2時可提升火焰?zhèn)鞑ニ俣?0.3 cm/s。這是由于在濃燃料條件下甲醇裂解氣的反應(yīng)活性高于稀燃料條件下的反應(yīng)活性，根據(jù)前人的研究，當(dāng)H單獨(dú)加入碳?xì)浠衔飼r也會存在類似的現(xiàn)象^［57］，這種現(xiàn)象可以歸因于基準(zhǔn)燃料和混合燃料的分子質(zhì)量差異較大^［58］。此外，隨著摻混比的增加，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)的當(dāng)量比逐漸增加，由于富氫混合氣與空氣混合燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆逯党霈F(xiàn)在當(dāng)量比2.0附近^［59］，因此在當(dāng)量比為0.6～1.4的范圍內(nèi)，高摻混比混合燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著當(dāng)量比的增加單調(diào)遞增，增加幅度逐漸變小。

圖4 不同摻混比下層流火焰速度隨當(dāng)量比的變化

3 富氫混合燃料發(fā)動機(jī)性能研究

3.1 缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/p>

富氫氣體作為燃料燃燒的化學(xué)動力學(xué)機(jī)理已經(jīng)過了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)溫度和壓力已經(jīng)覆蓋了發(fā)動機(jī)的常用工況^［31］。氫氣相比傳統(tǒng)的碳?xì)浠衔锶剂嫌懈叩幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?sup>［^60］，在燃料中加入通過甲醇制取的富氫混合氣，可以提高燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣?sup>［^55-56］，拓寬燃料的稀薄燃燒極限^［61］。

燃料的稀薄燃燒極限會隨著氫氣摻混比例的增加而擴(kuò)大。當(dāng)氫氣含量達(dá)到9%時，過量空氣系數(shù)可以達(dá)到3.0^［62］。平均指示壓力（IMEP）隨著過量空氣系數(shù)的增加而降低^［63］。摻燒富氫燃料可顯著降低稀薄燃燒時IMEP的循環(huán)變動（COV）^［64-65］，過量空氣系數(shù)較大時該效應(yīng)更顯著^［66］。在甲醇中摻燒富氫混合氣還可以降低發(fā)動機(jī)的爆震傾向^［67-68］。

Gong等^［62］采用中等壓縮比的甲醇摻氫發(fā)動機(jī)研究了甲醇晚噴策略下不同摻氫比例、過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火時刻對燃燒過程和稀薄燃燒極限的影響，燃料加入的方式為氫氣預(yù)混加入，甲醇缸內(nèi)直噴。結(jié)果表明：摻氫后發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火時刻可以適度推遲，相較于純甲醇發(fā)動機(jī)具有更大的調(diào)節(jié)空間。氫氣的加入提升了稀薄燃燒極限，氫氣添加量比例越大，稀薄燃燒極限越廣。從“氫氣輔助燃燒”過渡至“雙燃料燃燒”的臨界摻氫比約為6%，氫氣輔助燃燒可顯著增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性，擴(kuò)大稀薄燃燒極限^［63］。

在提高氫氣含量時，為了避免壓力峰值過于接近上止點(diǎn)（TDC），從而影響發(fā)動機(jī)的工作效率，必須減小點(diǎn)火提前角。Mustafi等^［69］通過調(diào)節(jié)點(diǎn)火時刻，在使用汽油、天然氣和合成氣的各種工作條件下均能夠獲得最大扭矩。由于富氫混合氣的燃燒速度較快，其理想的點(diǎn)火時刻相應(yīng)更靠近TDC。同樣，Arroyo等^［51］注意到，含有較高氫氣比例的合成氣在缸內(nèi)燃燒時會產(chǎn)生更高的壓力峰值，且這些峰值出現(xiàn)的時間更接近于TDC，因此在將汽油發(fā)動機(jī)改造為適用于富氫混合氣時，需要相應(yīng)延后點(diǎn)火時間。Ji等^［52］的研究中對這些燃燒參數(shù)進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)富氫混合氣的添加相較于汽油減小了著火延遲期和燃燒持續(xù)期，這一現(xiàn)象歸因于火焰速度的提高。Bika等^［70］和Ran等^［71］進(jìn)行的類似測量也表明，合成氣提供了更快的燃燒速率。Bika等^［70］通過使用H/CO比例分別為100/0，75/25和50/50的合成氣，在當(dāng)量比分別為0.6，0.7和0.8，壓縮比分別為6，8和10條件下進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)燃燒持續(xù)期和著火延遲期受所有研究參數(shù)影響，尤其是隨著H含量的減少和CO含量的增加，燃燒持續(xù)期減小、著火延遲期增加，而更高的當(dāng)量比和壓縮比縮短了這兩個間隔。

富氫混合氣燃燒的穩(wěn)定性及其低循環(huán)變動率（COV）也得到了Arroyo等^［51］的試驗(yàn)研究證實(shí)。他們對比了不同燃料的燃燒性能，結(jié)果顯示：即使在低負(fù)荷和低轉(zhuǎn)速條件下，富氫混合氣的燃燒也表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性，沒有出現(xiàn)失火現(xiàn)象，與甲烷和生物氣在相同當(dāng)量比下的表現(xiàn)形成了鮮明對比。這種穩(wěn)定的燃燒模式讓富氫混合氣在稀薄燃燒條件下展現(xiàn)出了特殊的優(yōu)勢。進(jìn)一步研究表明：在稀薄燃燒條件下使用富氫混合氣能夠獲得更高效率，尤其是當(dāng)燃料消耗量的減少超過了燃燒過程惡化的影響時更為顯著，Mustafi等^［69］也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

3.2 熱效率

在氫氣對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒和熱效率的影響方面，添加氫氣可以縮短火焰發(fā)展期^［72］，使燃燒重心前移，更接近上止點(diǎn)^［63］，提高最大燃燒放熱率^［73］，從而提高最大氣缸壓力。隨著IMEP的提高，扭矩也隨之提高^［74］。然而在低轉(zhuǎn)速下并不總是符合這一規(guī)律^［75］，噴射正時也對發(fā)動機(jī)的熱效率有著重要影響^［76］。較高的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁拱l(fā)動機(jī)缸內(nèi)的熱力循環(huán)更接近于定容循環(huán)，從而提高了發(fā)動機(jī)的熱效率^［65］。Zhang等^［72］的甲醇發(fā)動機(jī)摻氫試驗(yàn)結(jié)果表明，摻氫后制動熱效率（BTE）有所提高，當(dāng)歧管壓力由38 kPa增加到83 kPa時，體積分?jǐn)?shù)3%的摻氫導(dǎo)致BTE增加幅度分別為6.5%和4.2%。Dai等^［66］的研究顯示，在稀燃條件下加入2.5%的富氫混合氣可以將發(fā)動機(jī)效率從35.88%提升至39.54%。

利用發(fā)動機(jī)的排氣余熱裂解甲醇制取富氫氣體作為發(fā)動機(jī)燃料也可提升熱效率^［77］。圖5給出了在2 500 r/min工況下，某1.3 L甲醇發(fā)動機(jī)在扭矩為20～100 N·m條件下，甲醇消耗率隨摻混比的變化情況^［78］。從圖中可以看出，該負(fù)荷條件下，甲醇摻混甲醇裂解氣發(fā)動機(jī)的總甲醇消耗率低于純甲醇發(fā)動機(jī)，隨著甲醇裂解氣摻混比的增加，甲醇消耗率的降低幅度隨之增大，綜合熱效率逐步提升。

圖5 不同扭矩時甲醇裂解氣摻混比對甲醇消耗率的影響^［78］

基于尾氣余熱的制氫裝置中溫度分布和性能在很大程度上取決于排氣溫度和進(jìn)氣流速。當(dāng)溫度高于923 K時，發(fā)動機(jī)和重整器的效率分別增加了8%和超過100%，這表明基礎(chǔ)燃料的熱值得到了顯著提高。然而，在大約873 K的較低溫度下，發(fā)動機(jī)效率雖有4%的提升，重整器效率卻未達(dá)到100%，這顯示在重整過程中有部分能量損失^［79］。

提升壓縮比是提升動力性和熱效率的另一有效途徑。Rakopulos和Michos^［80］發(fā)現(xiàn)在重整氣發(fā)動機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行并達(dá)到最大壓力峰值時，還是存在一定的爆震風(fēng)險，爆震主要是源于缸內(nèi)壓力而不是溫度。Marculescu等^［81］通過提高空氣過量系數(shù)至2.2～2.8的方法有效避免了富氫混合氣作為燃料的爆震問題。Bika等^［70］則深入分析了富氫混合氣的組成、當(dāng)量比以及壓縮比對爆震觸發(fā)的影響，研究結(jié)果表明，隨著CO比例的增加，爆震抵抗力提高，這是因?yàn)檩^高的CO比例意味著混合物的反應(yīng)性較低。這一發(fā)現(xiàn)說明，可以通過采用較高的壓縮比來利用富氫混合氣的這種抗爆震特性，進(jìn)而提升發(fā)動機(jī)的熱效率^［82］。

3.3 污染物排放

在污染物排放方面，與傳統(tǒng)汽油相比，富氫燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀欤扇紭O限更寬，化學(xué)反應(yīng)過程更短，缸內(nèi)燃燒更充分，因此，CO排放量可能低于汽油發(fā)動機(jī)^{［75，83］}，HC的排放量也相應(yīng)降低^{［71，84］}。然而，由于富氫混合氣中含有大量的CO，當(dāng)使用乙醇裂解產(chǎn)生的富氫混合氣作為發(fā)動機(jī)燃料時，CO排放量也可能會增加^［66］。富氫氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤紵艧崴俾矢?，燃燒時的最高溫度也更高，而高溫是NO形成的重要原因之一，因此，NO排放量有所增加^{［72，75］}。摻氫擴(kuò)大了燃料的稀薄燃燒極限，因此可以通過稀薄燃燒或廢氣再循環(huán)降低最高燃燒溫度^［85-86］，從而降低NO排放量^［87］。甲醇中摻燒氫氣可以減少CO排放量^［88］。在無負(fù)荷的工況下，HC，CO和NO的排放量隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加^［89］。

Zhang等^［72］通過比較氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為0%和3%的混合氣發(fā)現(xiàn)，摻氫后發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的峰值溫度升高，排氣閥開口處的缸內(nèi)溫度降低，HC和CO排放量下降，NO排放量略有增加。Nuthan等^［88］的試驗(yàn)結(jié)果也顯示了甲醇燃料中摻燒氫氣可降低CO，HC和CO的排放量。點(diǎn)火時刻是影響點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)火焰形成、早期燃燒過程和排放的重要參數(shù)^［75］，通過優(yōu)化點(diǎn)火提前角可以降低發(fā)動機(jī)的NO排放量^［90］。Zhen等^［91］的研究表明：在高壓縮比發(fā)動機(jī)中使用甲醇/氫、乙醇/氫和甲烷/氫混合物作為燃料時，發(fā)現(xiàn)甲醇/氫混合燃料的HC和NO排放量高于乙醇/氫和甲烷/氫混合燃料，甲醇/氫和甲烷/氫混合燃料的CO排放量低于乙醇/氫混合燃料。Yu等^［92-93］發(fā)現(xiàn)，氫氣以直噴的形式加入可以提高火花塞周圍氫氣的濃度，分層燃燒可以使點(diǎn)火更迅速更穩(wěn)定^［94］，從而減少CO和HC排放^［95］，改善PM排放^［96］，但降低NO排放則需要通過EGR實(shí)現(xiàn)^［97］。姚春德等^［98］的研究結(jié)果表明：甲醇裂解氣的主要成分為H和CO，當(dāng)過量空氣系數(shù)高于1.4時，NO排放量減少90%，CO排放量顯著降低。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，雖然氫是一種零碳清潔燃料，但作為交通運(yùn)輸領(lǐng)域的燃料，如今仍然面臨著存儲運(yùn)輸成本高、泄漏以及爆炸風(fēng)險的挑戰(zhàn)。本研究介紹了以甲醇作為氫能的載體應(yīng)用于動力系統(tǒng)的富氫混合氣發(fā)動機(jī)及其燃料特點(diǎn)，總結(jié)了甲醇摻混富氫混合氣基礎(chǔ)燃燒及其在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的燃燒特性，分析了燃燒特性對發(fā)動機(jī)性能的影響并介紹了最新的研究進(jìn)展。利用發(fā)動機(jī)尾氣余熱將甲醇裂解為富氫混合燃料，再使其通過進(jìn)氣道進(jìn)入發(fā)動機(jī)缸內(nèi)與甲醇混合燃燒，可以利用部分排氣余熱，提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低排放。該技術(shù)能夠利用現(xiàn)有發(fā)動機(jī)技術(shù)和燃油供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，有著廣泛的應(yīng)用前景。同時，還有以下研究值得進(jìn)一步開展：

1） 進(jìn)行更多富氫混合燃料的試驗(yàn)，用以標(biāo)定和優(yōu)化適用于發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒三維仿真的簡化機(jī)理模型，包括測量著火延遲時間的快速壓縮機(jī)試驗(yàn)，測量火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩ㄈ輳椩囼?yàn)和測量組分濃度變化的射流攪拌試驗(yàn)等；

2） 通過調(diào)控燃料噴射、點(diǎn)火和氣體流動等各項(xiàng)參數(shù)，優(yōu)化富氫混合氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣的流動和燃燒過程，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)在更寬廣的工況下高效清潔燃燒；

3） 制取甲醇裂解氣的催化反應(yīng)受到空速和溫度的影響，甲醇裂解氣成分的穩(wěn)定性及其與缸內(nèi)燃燒過程、尾氣流速和溫度的匹配值得進(jìn)一步的研究與優(yōu)化。

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

CHEN Yexin^1，2，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

［編輯：潘麗麗］