基于焦爐氣的HCNG發(fā)動機稀燃特性研究

王明月，馬凡華

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

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

表1 焦爐氣的主要成分

在焦爐氣的各種利用途徑中，深加工附加值較高的產品才是最佳出路。將焦爐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途徑，其經濟效益和環(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。本文以焦爐氣作為車用HCNG燃料的工業(yè)來源，將其進行甲烷化與適當的提純后，視為體積摻氫比為55%的HCNG燃料。在6缸增壓火花點火發(fā)動機試驗臺架上進行了試驗研究，揭示55%摻氫比HCNG發(fā)動機的稀薄燃燒特性，并與純天然氣發(fā)動機與30%低摻氫比HCNG燃料特性進行了對比。試驗方法為發(fā)動機穩(wěn)態(tài)實驗。發(fā)動機的負荷以進氣管絕對壓力MAP表示而非傳統(tǒng)的節(jié)氣門開度，這是因為本實驗對象為增壓發(fā)動機，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氣量［1］。具體試驗工況如表2所示。

表2 試驗工況

1 55%摻氫比HCNG發(fā)動機稀燃極限

利用稀薄燃燒方式提高燃料的經濟性與排放性是HCNG發(fā)動機的一大優(yōu)勢。但是火花點火發(fā)動機在稀薄燃燒時，由于火花點火瞬間電極間隙處氣流運動的變化，對火核的產生有較大影響，從而影響到整個燃燒過程，致使氣缸內的壓力出現較大變動，發(fā)動機運轉穩(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)變動是發(fā)動機采用稀薄燃燒技術需要重點考慮的問題。

圖1給出了55%摻氫比對不同過量空氣系數下的缸內平均指示壓力循環(huán)變動系數COVimep影響。由圖1中可看出，當λ＜1.6時，各種燃料的COVimep均比較低，小于2.5%，當過量空氣系數λ＞1.6后，55%摻氫比的COVimep遠遠大于CNG與30%HCNG燃料，并且這種趨勢在混合氣越稀的時候越明顯。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)動機的稀燃極限為2.5，遠大于燃用純CNG與體積比30%HCNG時稀燃極限1.71與2.09。這種對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>

過量空氣系數是影響發(fā)動機循環(huán)變動的一個重要因素，過大的過量空氣系數會使得燃燒過程中缸內混合氣體的濃度和氣流分布不均勻，尤其在火花塞附近，這會對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，氣流運動或混合氣成分的微小變動都會帶來燃燒過程和動力輸出的較大波動，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，并僅需要較小的點火能量，這就減輕了上述微小變動對燃燒穩(wěn)定性的影響，從而降低COVimep。

本文中將點火時刻到累積放熱量達10%所持續(xù)的曲軸轉角定義為火焰發(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)動機與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燃料在混合氣相對較濃時，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，而這對火焰還沒有完全成湍流狀態(tài)的火焰發(fā)展期促進作用尤為明顯。

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λ＞1.7時，各燃料的快速燃燒期曲線開始明顯分離，快速燃燒期延長的變化速率要明顯加快，這說明此時摻氫使缸內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為層流燃燒速度對湍流燃燒的影響在這兩種情況下有所不同。當混合氣很稀時，缸內溫度壓力都會很低，此時更快的火焰發(fā)展期更有利于保證一個穩(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下的燃燒持續(xù)期曲線。從圖4中我們可以看到：當達到稀燃極限時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)動機動力性與熱效率

圖5給出了55%高摻氫比HCNG燃料在不同過量空氣系數下的發(fā)動機輸出功率曲線與純天然氣和30%HCNG燃料的對比圖。從圖5可以看出，隨著過量空氣系數λ的增加，發(fā)動機輸出功率不斷下降，這是因為本文是通過改變噴射脈寬來改變過量空氣系數λ的。λ增大則噴氣量減少，致使輸入發(fā)動機的能量減少。而且當λ＜1.6，由于摻氫降低了混合氣的體積熱值，致使發(fā)動機輸出功率下降；而λ＞1.6時，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換效率都有所提高，發(fā)動機輸出功率更高。

圖6顯示了在最佳點火提前角下，55%高摻氫比HCNG燃料在不同過量空氣系數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范圍內均能有所提高［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55%高摻氫比HCNG燃料指示熱效率的優(yōu)勢更為明顯。然而由于55%摻氫比燃料燃燒時缸內溫度高，傳熱損失大。這將減弱這一趨勢。

3 結論

本文在6缸增壓火花點火發(fā)動機試驗臺架上研究分析了55%摻氫比HCNG發(fā)動機的稀燃特性，并與純CNG和30%低摻氫比HCNG燃料特性進行了對比。得出以下結論：

（1）在進氣管壓力MAP值為105 kPa的情況下，55%摻氫比HCNG發(fā)動機的稀燃極限為2.5，遠大于CNG與體積摻氫比30%HCNG發(fā)動機的稀燃極限1.71與2.09。

（2）在同一過量空氣系數下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)動機與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。且這種趨勢在混合氣越稀的工況越突出。當混合氣相對較濃時，55%摻氫比HCNG燃料對縮短火焰發(fā)展期的貢獻要明顯大于對縮短快速燃燒期的貢獻。當達到稀燃極限時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λ的增加，發(fā)動機輸出功率不斷下降，在過量空氣系數λ＞1.6時，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換效率，發(fā)動機輸出功率反會升高。

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

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