摻氫氨發動機的燃燒理論研究

秦豪杰 申方

（華北水利水電大學，河南鄭州 450045）

摻氫氨發動機的燃燒理論研究

秦豪杰 申方

（華北水利水電大學，河南鄭州 450045）

隨著環境污染和能源短缺的加劇，氨成為發動機理想的可再生無碳替代燃料之一。氨在發動機中燃燒存在速度慢和溫度低的問題，因而需要引燃燃料，最好的無碳引燃燃料是氫。基于此，分析不同摻氫比的氫氨混合燃料的理化性能和燃燒特性，發現隨著摻氫比的增加，混合燃料的低熱值、理論空燃比及燃料總能量均減小；指示效率先增加后減小，平均指示有效壓力逐漸減小。綜合考慮，摻氫10%時有利于提高氨發動機的動力性和經濟性。

氨；摻氫比；氨發動機

環境污染與資源銳減迫使人們尋求更好的可再生清潔能源。在交運行業中，已開發的能源替代品有電池、生物能及氫能等。但這些能源的大規模應用存在著一些問題：電池的使用壽命及續航能力十分有限，并且后處理、再充電等也需要特殊考慮；生物燃料和其他化石燃料一樣是碳鏈結構，燃燒會導致CO2的增加；氫能被認為是最理想的可再生燃料，然而儲運不便以及氫氣的早燃、回火特性使其難以推廣［1］。

由于含氫量高，氨（NH3）被認為是理想的綠色發動機燃料。氨是無碳燃料，具備傳統燃料的一些特點，相比氫氣有便于儲運、操作安全、容易獲取等優勢［2］。氨作為碳氫燃料的替代物，是比利時在二戰時期提出的，當時公共汽車缺少傳統的化石燃料，就使用氨和煤氣代替柴油［3］。在國內，與氨燃料相關的研究處于起步階段。胡劍全等［4］研究發現氨氣/液化氣混合燃料發電機在一定程度上可以保持其負載性能，二氧化碳的濃度可以降至1%左右，實現低碳排放。鐘紹華等［5］研究了氨燃料在內燃機缸內的燃燒性能，結果表明使用引燃燃料可以顯著降低氨燃料壓燃對進氣溫度和壓縮比的要求。

在發動機中，氨可以直接燃燒，但存在燃燒速度慢和溫度低的問題，因而需要引燃燃料。事實上，最好的無碳引燃燃料是氫，具有燃燒界限寬、火焰傳播速度快、燃燒溫度高等特點。筆者在前人的基礎上以工程熱力學為基礎，并用氫氣作為引燃燃料，分析摻氫比（占混合燃料體積百分含量，下同）對氨燃料燃燒的提升作用。

1 氨燃料的理化特性

氨中不含碳，燃燒不產生碳化合物，本身也不是溫室氣體。所以，采用氨作為燃料不會加劇溫室效應［6］。氨與其他常用燃料的部分性能特點如表1所示［7］。

表1 氨與其他燃料的性能特點比較

從表1可以看出，氨作為燃料時具有如下特征［8］：①低熱值較低，即單位質量的氨燃燒產生的熱較少，這個特性要求使用氨作為燃料時，必須要有大的進氣壓力或是增大發動機壓縮比，從而使更多的氨進入發動機缸內；②氨的能量密度較氫和天然氣高，這意味著在同種工況下，同一輛汽車行駛相同里程時，所需的氨容量比氫和天然氣更少，這樣就可以采用較小的燃料箱以節省車用空間，或者可以通過減少汽車裝載燃料的質量間接提高汽車的有效裝載能力；③氨有較高的燃點和最小點火能量，所以氨發動機的點火方式一般是火花塞點燃，且使用引燃燃料。最佳的引燃燃料是氫，具有燃燒界限寬、火焰傳播速度快、燃燒溫度高等特點。

2 摻氫氨發動機燃燒性能分析

2.1 計算模型

氨發動機機的工作循環被看作是發生在閉口系統中的熱力學循環，即定容加熱循環。研究摻氫氨發動機的熱力學循環時，首先作假設如下：①缸內混合氣為理想氣體，混合氣的焓、內能和比熱能等熱力學參數僅與燃氣的組分和溫度有關，氣體的動能和勢能忽略不計；②燃燒過程在上止點瞬時完成，而且在等熵壓縮及等熵膨脹的過程中氣缸內的工質組分不變，在過量空氣系數是1.00的條件下認為燃燒效率為100%；③認為等熵壓縮和等熵膨脹沖程都是多變過程，而且多變指數僅受組分和溫度變化影響；④認為進排氣相位的重疊角是0°，即進排氣門打開和關閉的過程是在活塞上下止點瞬時完成的；⑤認為進排氣行程都是絕熱的。

對于摻氫氨發動機，混合氣在氣缸內燃燒時遵循定容加熱循環理論，圖1是點燃式發動機的理論工作循環示意圖（其中4-4’是多變指數與過程，該行程在點燃式發動機實際工作中并不存在，僅是在計算排氣溫度時考慮的一段理想過程）。然后可以根據前述熱力學循環計算模型，計算任意摻氫比下循環中各點的缸內溫度、壓力和體積［9］。

圖1 點燃式發動機理論工作循環示意圖

2.2 不同氫含量的氫氨燃料理化性能分析

圖2 不同摻氫比的混合燃料低熱值和理論空燃比

一般燃料的理化特性能很大程度上決定發動機性能的優劣。空燃比和混合氣熱值是直接影響發動機的結構設計及技術經濟性的重要參數［10］。發動機的燃料抗爆性、著火性、效率和排放等與空燃比密切相關，而低熱值則決定了發動機的最大功率，低熱值相對較高的氣體燃料能夠使發動機輸出更大功率。圖2是氫氨混合燃料的低熱值和空燃比隨摻氫比變化的關系圖。從圖2可以看出，混合燃料的低熱值和空燃比都隨著摻氫比的增加而減小，當摻氫比為50%時，燃料低熱值從3.15 kJ/cm3降至2.88kJ/cm3，降低了7.1%；理論空燃比則由3.550減小到2.965，減小了16.5%。因此，在不考慮混合燃料不正常燃燒的條件下，進氣量相同時，隨著摻氫比的增加，氣體低熱值降低，發動機的輸出功率會隨之降低。所以，為了使發動機能夠輸出大的功率，需要提高進氣量，一般可通過采用增壓技術實現。

一般使用發動機的燃料能量流量等參數來衡量發動機的燃油經濟性。燃料能量流量是某一工況下單位時間內進入發動機的燃料總能量。與氨相比，單位體積氫氣燃燒放出的能量較少，因此，燃料總能量隨著摻氫比的增加而減小。所以，為了提高燃料總能量，需要增加進入氣缸內的燃料數量，這可以通過增大進氣壓力或是增大發動機壓縮比等技術來實現。

2.3 不同氫含量的氫氨燃料燃燒特性分析

與理想熱力學模型相比，韋伯函數基于實際燃燒規律建立了累積放熱分數、火焰發展期和快速燃燒持續期之間的關系，再用韋伯效率參數來控制韋伯方程中累積放熱分數隨曲軸轉角變化曲線的形狀。所以，韋伯方程可以很好地用來定性分析發動機的實際燃燒過程。韋伯效率參數與摻氫比的變化關系及擬合的函數關系式、檢驗值R2如圖3所示。從圖3可以看出，韋伯效率參數隨摻氫比的增加呈現先上升后降低的趨勢，呈現較為明顯的二次函數特征。

圖3 不同摻氫比條件下的韋伯參數

由韋伯函數［11］累積放熱分數與曲軸轉角、韋伯效率參數等的關系可以推出，在相同曲軸轉角位置時，隨著摻氫比的增加，累積放熱分數提高。這主要是因為與氨相比，氫氣的點火能量極低，約為氨的3/10 000，更容易被點燃，使燃燒持續期縮短，進而減少發動機的傳熱損失；而且，燃燒持續期的縮短，使排氣時被廢氣帶走的熱量減少，進而減少發動機的排氣損失。因此，摻氫對提高發動機的熱效率有很大的積極作用。

發動機的主要性能參數有指示效率、平均指示有效壓力等。本文選取摻氫比分別為10%、20%、30%、40%和50%的氫氨混合燃料，分析了其平均指示有效壓力及指示效率與過量空氣系數的關系，如圖4、5所示。

圖4 不同摻氫比例的氨發動機的指示效率

圖5 不同摻氫比例的氨發動機的平均指示有效應力

指示效率是評價發動機氣缸內部熱力過程完成的完善程度的主要參數。如圖4所示，在同一摻氫比下，指示效率隨著過量空氣系數的增加而逐漸增大；而在同一過量空氣系數下，指示效率隨著摻氫比的增大呈現先增大后減小的趨勢。這是因為在過量空氣系數較小時，氧氣濃度低，并且氫先與氧氣發生反應，造成氨氣不完全燃燒，從而指示效率較小。但是，隨著過量空氣系數變大，氧氣濃度也逐漸增大，使得氨氣充分燃燒，該范圍內的指示效率隨著過量空氣系數的變化而產生較大的變化；隨著摻氫比例的增大，混合氣體燃料和空氣的配比會達到最佳，此時燃料會完全燃燒，從而達到最大指示效率，超過最佳配比，就會逐漸減小。

平均指示有效壓力是反映發動機做功能力高低的一個重要參數。如圖5所示，摻氫10%時發動機的平均指示有效壓力最大。在過量空氣系數一定時，平均指示有效應力隨著摻氫比的增加而逐漸減小。過量空氣系數為1.2時，平均指示有效應力降低了6.8%。這是由于摻入氫氣造成混合燃料的熱值下降，因而在相同的循環進氣量條件下，燃燒后釋放的能量減少，進而使發動機做功能力下降，即隨著氫氣比例的增加，平均指示有效壓力逐漸減小；而當過量空氣系數較小時，混合氣較濃，負荷較大，使得平均指示有效壓力較高。綜合考慮，選擇氫氨混合燃料中氫的體積百分含量為10%，則可滿足發動機動力性和經濟性的雙重要求。

3 結論

①對不同氫含量的氫氨燃料理化性能進行計算，隨著摻氫比的增加，氫氨混合燃料的理論空燃比和低熱值均減小，燃料總能量也減小，為提高發動機功率可采用增壓技術。

②對不同氫含量的氫氨混合燃料燃燒性能進行計算，隨著摻氫比的增加，氫氨混合燃料的指示效率先增加后減小，平均指示有效壓力逐漸減小。從發動機的動力性和經濟性兩方面綜合考慮，選擇摻氫10%的氫氨混合燃料作為發動機燃料。

［1］Duan Junfa，Liu Fushui，Baigang Sun.Backfire control and power enhancement of a hydrogen internal combustion engine［J］.In?ternational Journal of Hydrogen Energy，2014（9）:4581-4589.

［2］馮向法.甲醇-氨和新能源經濟［M］.北京：化學工業出版社，2010：60-62.

［3］Frigo S，Doveri N.Analysis of the behavior of a 4-stroke SI engine fuelled with ammonia and hydrogen［J］.Int J Hydrogen Energy，2013（3）：1607-1615.

［4］胡劍全，謝珊，吳一純，等.低碳氨發動機的研究［J］.可再生能源，2014（10）：1505-1509.

［5］鐘紹華，萬桂芹，嚴利群.氨燃料燃燒性能數值模擬與分析［J］.內燃機工程，2014（3）：46-51.

［6］Christopher Gross，George Zacharakis Jutz，Song Charng Kong.Update on ammonia engine combustion using direct fuel in?jection［D］.San Antonio：Iowa State University，2012.

［7］郭朋彥，申方，王麗君，等.氨燃料發動機研究現狀及發展趨勢［J］.車用發動機，2016（3）：1-5.

［8］萬桂芹.基于化學反應動力學的氨的均質壓燃數值模擬［D］.武漢：武漢理工大學，2014.

［9］汪碩峰.摻氫汽油機燃燒與排放特性的試驗研究［D］.北京：北京工業大學，2013.

［10］牟善祥.氣體發動機燃料特性參數計算軟件開發及應用［J］.柴油機，2015（1）：21-26.

［11］Ferguson CR，Kirkpatrick AT.Internal Combustion En?gines［M］.New York：John Wiley&Sons，2001.

Theoretical Study on Combustion of Hydrogen-ammonia Engine

Qin Haojie Shen Fang
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

With the aggravation of environmental pollution and energy shortage,ammonia become the engine ideal re?newable alternative fuels of carbon free.Ammonia in the engine combustion has the problems of slow speed and low temperature,thus need to ignite the fuel,the best no carbon ignition fuel is hydrogen.Based on this,the physical and chemical properties and combustion characteristics of different hydrogen blending ratio of ammonium hydrogen mixed fuel were analyzed,results showed that with the increase of hydrogen blending ratio,the mixed fuel of low calo?rific value,theoretical air fuel ratio and total fuel energy decreased;indicated efficiency first increased and then de?creased,mean indicated effective pressure was gradually reduced.It is considered that the hydrogen 10%is helpful to improve the power and economy of the ammonia engine.

ammonia；hydrogen mixing ratio；ammonia engine

TK431

：A

：1003-5168（2017）01-0137-04

2016-12-06

秦豪杰(1990-)，男,碩士,研究方向：發動機燃燒理論研究。