碳中和甲醇發(fā)動機(jī)概念構(gòu)建與分析

王俊昌

（安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安陽 455000）

縮略語

EGRExhaust Gas Recirculation

RCCIReactivity Controlled Compression Ignition

ICRCInternal Combustion Rankine Cycle

JCCIJet Controlled Compression Ignition

CTBCCharge Transit Between Cylinders

DMEDimethyl Ether

ECUElectronic Control Unit

0 引言

為實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動方案》，提出交通運輸綠色低碳行動等十大行動指南，推進(jìn)綠色低碳科技創(chuàng)新，促進(jìn)廢物綜合利用，使用可再生能源，構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系?；仡櫄v史，交通工具的變革往往帶來社會大發(fā)展，在構(gòu)建綠色低碳可持續(xù)發(fā)展體系進(jìn)程中，交通運輸行業(yè)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

雖然電動車發(fā)展迅速，但電能碳排放降低之前，其降碳效果有限[1]，且供電網(wǎng)絡(luò)安全始終是影響能源安全的重大因素，戰(zhàn)爭、地震等各種自然災(zāi)害，對電網(wǎng)的打擊都是致命的。在電能存儲技術(shù)沒有解決之前，如何應(yīng)對電力供應(yīng)“高峰和低谷”，也是制約電動車發(fā)展因素之一。一旦解決發(fā)動機(jī)排放問題，剩余電能轉(zhuǎn)化為可再生燃料，既可以解決發(fā)動機(jī)燃油供給問題，也可以作為載體進(jìn)行長期存儲和運輸，再生燃料將是一種具有強(qiáng)大生命力的解決方案[2]。2023 年3 月28日，歐盟正式通過了汽車碳排放法案，即2035 年歐盟區(qū)域內(nèi)銷售的新車必須實現(xiàn)零碳排放，其中法案包含了以德國、意大利為首提出的“允許銷售僅使用eFuels的新型內(nèi)燃機(jī)汽車”。eFuels是將水電解生成H2與工業(yè)排放中或空氣中的CO2進(jìn)行催化反應(yīng)，合成一種可再生的液體碳?xì)淙剂希紵齟Fuels 所釋放的碳小于等于eFuels 制造中收集的碳，在保持傳統(tǒng)產(chǎn)品鏈穩(wěn)定的同時，實現(xiàn)碳中和。但因制造成本高，其應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。氫燃料電池反應(yīng)生成水，被給予降碳厚望，但氫燃料電池對氫的純度要求較高，其發(fā)展受到加氫基礎(chǔ)設(shè)施匱乏的制約，并且燃料電池全工況平均發(fā)電效率在50%左右，單體電壓在0.650~0.717 V 之間時，效率為51.83%~57.18%，額定工況電壓為0.616 V，熱效率僅為48.88%[3]。提高熱效率是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵，美國超級卡車計劃發(fā)動機(jī)熱效率達(dá)到55%，濰柴也宣布其天然氣發(fā)動機(jī)熱效率達(dá)到54.16%，國內(nèi)已有多家車企混合動力汽車發(fā)動機(jī)熱效率接近45%，比亞迪DMI系統(tǒng)發(fā)動機(jī)熱效率為43%[4]，吉利雷神智擎Hi·X 熱效率也達(dá)43.32%，內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)結(jié)合，整體熱效率可超過65%[5]。排放對環(huán)境零影響是內(nèi)燃機(jī)生存的基礎(chǔ)，發(fā)動機(jī)排放處理裝置日趨復(fù)雜，其成本已占發(fā)動機(jī)總成本的40%~70%[6]，嚴(yán)重制約了內(nèi)燃機(jī)行業(yè)發(fā)展，要降低發(fā)動機(jī)排放污染、實現(xiàn)碳中和，需要對發(fā)動機(jī)做結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新。

本文將多種先進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒理論和技術(shù)有機(jī)融為一體，從我國能源資源稟賦出發(fā)，合理選擇燃料，結(jié)合相關(guān)專利[7]提出高效、清潔燃燒的新型發(fā)動機(jī)架構(gòu)，以甲醇為車用替代燃料，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展、低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，以期在穩(wěn)定產(chǎn)品供應(yīng)鏈的同時，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)碳中和。

1 燃料的選擇

1.1 零碳燃料分析

燃料的選擇對發(fā)動機(jī)性能起到?jīng)Q定性作用。H2燃燒速度快，氫內(nèi)燃機(jī)在一定工況可提高熱效率，但易產(chǎn)生爆震燃燒，高負(fù)荷時排放NOx濃度高[8]。同時，H2具有易燃性、點火能量低，會導(dǎo)致氫內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)回火、早燃問題[9]。缸內(nèi)直噴氫內(nèi)燃機(jī)雖解決了回火問題，但H2混合時間短，影響排放和效率穩(wěn)定性[10]。采用較稀H2混合氣體，可防止回火和早燃、減少NOx排放，但發(fā)動機(jī)動力性會隨之降低。此外，H2密度低、儲運成本高、氫脆等問題制約了氫內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用。氨（NH3）燃料有異味、燃燒活性低，點火能量高，需要其它燃料引燃才能在缸內(nèi)燃燒，同時還面臨NOx等燃燒污染物排放控制技術(shù)難題，目前不具有大規(guī)模應(yīng)用的條件。

1.2 立足我國能源資源稟賦

各類醇、醚和生物燃料可通過捕集的CO2和H2合成獲得，也可利用生物質(zhì)材料獲得，是實現(xiàn)碳中和有效燃料。在車用替代燃料選擇過程中，應(yīng)從國家能源安全、全生命周期碳排放、能源轉(zhuǎn)化效率、儲存安全性、運輸便捷性、環(huán)境友好性、資源豐富性多維度進(jìn)行綜合評價，立足于我國“富煤、少氣、貧油”的能源資源稟賦，循序漸進(jìn)推進(jìn)碳達(dá)峰。我國煤炭資源豐富，且具有成熟的煤化工制取甲醇工藝，全國每年富余爐煤氣約240億m3，可生產(chǎn)甲醇約1 200萬t[11]，開發(fā)使用甲醇有助于提高廢棄物資源化的循環(huán)經(jīng)濟(jì)效用。我國正在進(jìn)行“光伏發(fā)電→電解水制氫→H2與CO2反應(yīng)生成甲醇”技術(shù)路線研究，探索以甲醇為載體，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，實現(xiàn)光能儲存。以甲醇為燃料，內(nèi)燃機(jī)將煥發(fā)新的活力，利用成熟的產(chǎn)業(yè)鏈、完備的基礎(chǔ)設(shè)施，可以構(gòu)建低碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)體系。

1.3 綜合考慮使用成本、性價比

從儲運角度看，常溫下液態(tài)的甲醇（CH3OH）遠(yuǎn)比天然氣、電能合理，對現(xiàn)有燃料供給體系進(jìn)行改造，即可實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋，避免投入高昂費用去建設(shè)新的能源基礎(chǔ)設(shè)施。通過合成甲醇消納CO2，把氫能、燃油替代技術(shù)和低碳技術(shù)結(jié)合在一起實現(xiàn)碳中和。甲醇還是理想的氫能載體燃料，單位體積甲醇中H含量是液氫的1.4倍，是70 MPa壓力下氫氣的2.8倍。將車載甲醇裂解制氫，隨制隨用，不存在H2運輸及存儲問題。將裂解氣與甲醇混摻燃燒，可解決H2燃燒溫度高和回火問題。姚春德等[12]對甲醇高效清潔燃燒方法研究中指出，利用排氣余熱將甲醇裂解燃用，與燃用純汽油相比，其當(dāng)量燃料消耗率降低26.8%，相應(yīng)負(fù)荷下其HC排放降低10%～40%，可見，甲醇裂解氣可顯著提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性、降低排放污染。汽油終端用戶價約為8 000元∕t，甲醇終端用戶價在2 000~3 000元∕t，有較高的價格優(yōu)勢；甲醇辛烷值（112）高，有較高的抗爆震性能；甲醇燃燒速率高，有助于提高熱效率。甲醇主要缺點是腐蝕性強(qiáng)，燃燒熱值低，其點燃燃燒熱效率不高。甲醇腐蝕性已基本解決，燃燒熱效率可通過改進(jìn)著火方式、改善燃燒技術(shù)而得到有效提升。綜上所述，甲醇是最合理的車用燃料之一。

2 甲醇發(fā)動機(jī)基本架構(gòu)

2.1 技術(shù)基礎(chǔ)

伴隨著內(nèi)燃機(jī)發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進(jìn)的燃燒理論和控制技術(shù)。在國家973 計劃項目支持下，蘇萬華等[13]在“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”基礎(chǔ)上提出了燃燒路徑控制理論，通過混合氣體組分、濃度、溫度和壓力與燃料理化特性協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)“燃燒速率和方向控制”，從而實現(xiàn)對燃燒效率和燃燒產(chǎn)物的控制。

秦靜等[14]、易林等[15]在可控壓縮燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上，通過內(nèi)部廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation,EGR）控制燃料低溫活化反應(yīng)，余留熱廢氣不僅加熱新鮮充量，而且所含活性物質(zhì)促進(jìn)燃料低溫反應(yīng)，進(jìn)而影響到壓縮過程氣壓和溫度，實現(xiàn)壓燃著火燃燒，故稱為反應(yīng)控制壓縮燃燒技術(shù)（Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI）。

吳志軍等[16]和于瀟[17]基于內(nèi)燃蘭金循環(huán)（Internal Combustion Rankine Cycle，ICRC），引入EGR控制純氧燃燒速度，同時缸內(nèi)噴水混合氣吸收利用廢氣熱量，使混合氣繼續(xù)膨脹做功，提升發(fā)動機(jī)熱效率。

孟相宇等[18]、祝佩等[19]基于復(fù)合熱力循環(huán)提出射流控制壓縮著火方式（Jet Controlled Compression Ignition,JCCI），在壓縮終了時刻，通過噴入適量高壓空氣氣體，對缸內(nèi)柴油混合氣體產(chǎn)生沖擊壓縮，觸發(fā)混合氣體多點自燃，實現(xiàn)低壓縮比、高膨脹比的熱力循環(huán)。王志等[20]對氣相射流點火進(jìn)行研究，研究表明射流點火產(chǎn)生的多火焰面?zhèn)鞑?，提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短燃燒持續(xù)期，降低爆震傾向。

裴普成等[21]、盧勇[22]對工質(zhì)移缸技術(shù)（Charge Transit Between Cylinders,CTBC）進(jìn)行深入研究，提出發(fā)動機(jī)壓縮與燃燒過程在不同氣缸內(nèi)進(jìn)行，可緩解壓縮氣缸熱應(yīng)力，適應(yīng)更高壓縮比，同時發(fā)動機(jī)膨脹比大于壓縮比，實現(xiàn)性能優(yōu)于阿特金森-米勒循環(huán)（Atkinson Cycle-Miller Cycle）的充分膨脹熱力循環(huán)，提升發(fā)動機(jī)熱效率5%~20%。

本文將上述技術(shù)與甲醇理化特性相結(jié)合，有機(jī)融為一體，提出新構(gòu)型發(fā)動機(jī)。

2.2 基本方案

基于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)供應(yīng)鏈，提出主缸和副缸分級燃燒、組合工作方案。主缸采用濃甲醇混合氣體內(nèi)燃蘭金循環(huán)、氧氣射流控制混合氣體著火技術(shù)以及甲醇重整改質(zhì)技術(shù)，燃燒做功后的廢氣一部分留在主缸，另一部分導(dǎo)入副缸再燃燒。甲醇以較大提前角噴入主缸，利用缸內(nèi)富含活性物質(zhì)的燃燒廢氣進(jìn)行活化重整反應(yīng)[14]，將低火用值廢氣熱量轉(zhuǎn)換為高火用值的甲醇燃燒能。利用氧氣射流控制混合氣體著火燃燒，形成具有壓燃和擴(kuò)散燃燒特征的復(fù)合燃燒。主缸燃燒廢氣壓入副缸后，與進(jìn)入副缸的增壓空氣混合再燃燒，副缸通過控制燃燒溫度，既拓展了主缸燃燒做功過程，又起到主缸燃燒處理器作用。主缸生成的CO、CH2O等中間產(chǎn)物被完全氧化，并制約生成NOx污染物，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)近零污染排放。

新概念發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該發(fā)動機(jī)延續(xù)傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)主體結(jié)構(gòu)，主要對進(jìn)、排氣系統(tǒng)和燃油供給系進(jìn)行重構(gòu)。主缸有燃料噴嘴、氧氣噴嘴、排氣門，取消進(jìn)氣門，用氧氣噴嘴向缸內(nèi)噴射O2，無進(jìn)氣節(jié)流損失，提高主缸熱效率；副缸無燃料噴嘴，設(shè)有主進(jìn)氣門、副進(jìn)氣門、排氣門；主缸與副缸之間有連接通道，主缸廢氣通過連接通道導(dǎo)入副缸，主缸排氣門控制連接通道主缸端的開閉，副缸副進(jìn)氣門控制連接通道副缸端的開閉；副缸排氣門控制燃燒廢氣導(dǎo)入渦輪增壓器，增壓器為副缸提供具有一定壓力、溫度的新鮮空氣。

圖1 新概念發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

主缸不對外排氣，以提升熱效率為主、減少排放污染物為輔，用O2代替空氣作為氧化劑形成富燃功率混合氣體，從源頭上消除NOx。傳統(tǒng)燃料功率混合氣體燃料空氣當(dāng)量比為1.10～1.25[23]，由于甲醇自含氧，因此主缸燃料氧氣當(dāng)量比取1.40～1.50，主缸燃燒速率、壓力、溫度均達(dá)到最大值，在ICRC 基礎(chǔ)上實現(xiàn)熱效率最優(yōu)。副缸混合氣體過量空氣系數(shù)為1.20左右，以凈化排放為主、提升做功能力為輔，凈化副缸排放即實現(xiàn)發(fā)動機(jī)排放零污染。

2.3 進(jìn)氣系統(tǒng)

該發(fā)動機(jī)采用電控液壓可變氣門結(jié)構(gòu)，按設(shè)定的配氣正時柔性控制氣門開、閉，設(shè)有平衡軸以降低發(fā)動機(jī)振動。主缸氧氣噴射系統(tǒng)包括：氧氣噴嘴、氧氣穩(wěn)壓裝置、氧氣溫度檢測傳感器、氧氣預(yù)熱裝置、氧氣存儲罐。電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU）根據(jù)工況參數(shù)控制氧氣噴嘴適時向主缸噴入適量氧氣。主缸廢氣經(jīng)一定壓縮、升壓后，導(dǎo)入副缸繼續(xù)燃燒，提升副缸做功能力。副缸進(jìn)氣通路如圖2所示，由變頻電動增壓器和廢氣渦輪增壓器等組成，正常工況時二位三通電磁閥3 斷電，電動增壓器2 出口與廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)6進(jìn)氣口接通，副缸燃燒廢氣帶動渦輪增壓器6工作，實現(xiàn)副缸進(jìn)氣二級增壓。發(fā)動機(jī)起動時二位三通電磁閥3 通電，電動增壓器2 出口與副缸進(jìn)氣口接通，由電動增壓器2為副缸提供增壓的新鮮空氣。

圖2 發(fā)動機(jī)副缸進(jìn)氣通路

氧氣預(yù)熱裝置分為排氣管預(yù)熱和主缸與副缸連接通道預(yù)熱2部分，利用O2回收渦輪增壓器排出廢氣的能量和主缸與副缸之間連接通道散失的熱量，提升O2射流溫度。ECU根據(jù)空氣流量傳感器、氧傳感器等參數(shù)，控制電動增壓器及氧氣噴嘴通電時刻和時長，優(yōu)化混合氣濃度。

2.4 燃料供給系統(tǒng)

燃料供給系包括燃料噴嘴、低壓泵、高壓泵、甲醇穩(wěn)壓管、甲醇預(yù)熱管、甲醇儲存罐以及為起動工況提供燃料的二甲醚（Dimethyl Ether,DME）合成裝置。甲醇預(yù)熱管利用冷卻液熱量預(yù)熱甲醇，高壓泵提供可靠的噴射壓力。ECU控制燃料噴嘴，適時向主缸內(nèi)噴入適量、一定壓力的燃料。

DME合成裝置如圖3所示，包括電加熱催化器3、甲醇通道電磁閥4（常開電磁閥）和DME通道電磁閥2（常閉電磁閥）。發(fā)動機(jī)起動時，電加熱催化器3、甲醇通道電磁閥4和DME 通道電磁閥2通電，關(guān)閉甲醇通道、開啟DME通道，甲醇在催化器3中轉(zhuǎn)換為DME，然后進(jìn)入穩(wěn)壓管、噴入氣缸。當(dāng)起動工況向正常工況過渡時，甲醇通道電磁閥4 斷電，甲醇通道和DME 通道同時開啟，DME 和甲醇混合噴入氣缸，待發(fā)動機(jī)工作溫度正常后，電加熱催化器和DME 通道電磁閥斷電，DME通道關(guān)閉，發(fā)動機(jī)進(jìn)入正常工況。

圖3 DME合成控制

3 發(fā)動機(jī)工作原理

3.1 發(fā)動機(jī)工作過程分析

3.1.1 主缸工作過程

發(fā)動機(jī)正常工況使用甲醇M100 燃料，主缸工作相位如圖4所示，活塞從下止點上行對缸內(nèi)廢氣預(yù)壓縮，當(dāng)上行至α1時主缸排氣門開啟，開始排氣；當(dāng)主缸活塞向上運動α2時關(guān)閉主缸排氣門，排氣結(jié)束，開始壓縮行程。當(dāng)主缸活塞運動至上止點前α3時，第一次向主缸噴射甲醇，甲醇在缺氧氛圍中吸熱、氣化，與熱廢氣中的HO2、H2O2、H 等活性物質(zhì)進(jìn)行脫氫反應(yīng)；當(dāng)主缸活塞運動到上止點前α4時，第二次噴射甲醇，甲醇在活化氛圍中發(fā)生重整反應(yīng)；當(dāng)主缸活塞上行至上止點前α5時，向主缸噴入高壓氧氣。主缸混合氣體在氧氣射流作用下自燃、燃燒做功至下止點。主缸如此循環(huán)往復(fù)運轉(zhuǎn)。

圖4 發(fā)動機(jī)工作循環(huán)相位

3.1.2 副缸工作過程

如圖4 所示，副缸工作相位落后于主缸210°曲軸轉(zhuǎn)角，副缸活塞上行至上止點前α6時，副缸進(jìn)氣門提前打開，經(jīng)電動增壓器和廢氣渦輪增壓器增壓的熱空氣進(jìn)入副缸；活塞下行至副缸上止點后α7時，副缸排氣門關(guān)閉，排氣結(jié)束；副缸活塞下行至上止點后α8時，副缸副進(jìn)氣門開啟，主缸燃燒廢氣進(jìn)入副缸；副缸活塞下行至上止點后α9時，副缸主進(jìn)氣門關(guān)閉；副缸活塞下行至上止點后α10時，副缸副進(jìn)氣門關(guān)閉；副缸副進(jìn)氣門比主缸排氣門晚關(guān)閉，有利于利用主缸廢氣氣流慣性，降低主缸與副缸連接通道內(nèi)殘余氣壓、減小主缸排氣負(fù)功。當(dāng)副缸活塞做功下行至下止點前α11時，副缸排氣門提前開啟，副缸燃燒廢氣進(jìn)入廢氣渦輪，帶動渦輪增壓器工作；副缸如此循環(huán)往復(fù)運轉(zhuǎn)。發(fā)動機(jī)工作相位參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)工作相位參數(shù)(°)曲軸轉(zhuǎn)角

3.2 發(fā)動機(jī)燃燒過程

3.2.1 主缸混合氣體燃燒路徑

根據(jù)蘇萬華等[13]提出的柴油機(jī)燃燒過程及燃燒路徑控制理論，該發(fā)動機(jī)通過控制可燃混合氣形成時間和燃燒反應(yīng)時間實現(xiàn)燃燒路徑控制。用O2代替空氣做氧化劑，用遠(yuǎn)超傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)EGR的缸內(nèi)余留燃燒廢氣彌補(bǔ)循環(huán)工質(zhì)不足，改變了混合氣體組分和濃度，并通過控制O2噴射正時，控制混合氣體形成過程。余留熱廢氣不僅是發(fā)動機(jī)做功工質(zhì)，而且提供甲醇汽化所需能量、充當(dāng)減緩放熱速率的稀釋劑，同時熱廢氣還提供促進(jìn)甲醇活化重整的活性物質(zhì)，改變了甲醇燃燒路線：甲醇先被改質(zhì)為H2、CO、CH4等小分子結(jié)構(gòu)燃料，再與O2混合燃燒。甲醇重整后的燃燒轉(zhuǎn)化為醇、氫、氧融合燃燒，實現(xiàn)對混合氣體燃燒反應(yīng)速率控制。

3.2.2 主缸混合氣體燃燒過程

該甲醇發(fā)動機(jī)主缸采用高壓氧氣射流控制甲醇混合氣著火。主缸復(fù)合燃燒過程分為3個階段：（1）甲醇活化重整階段

基于ICRC和缸內(nèi)EGR技術(shù)構(gòu)建甲醇無氧活化重整反應(yīng)氛圍，利用濃甲醇混合氣燃燒廢氣中富含H的活性物質(zhì)特點，改變甲醇脫氫反應(yīng)路徑；通過控制混合氣中氧濃度，控制甲醇活化重整程度，避免燃料過度重整，減少重整過程中熱量損失，提升主缸熱效率。（2）燃料壓燃著火階段

基于JCCI 原理，在高壓氧氣射流沖擊下，H2與O2混合發(fā)生氧化反應(yīng)，局部高氧濃度使O自由基作用增強(qiáng)，激發(fā)如下鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量活性基OH，觸發(fā)缸內(nèi)混合氣體多點自燃[14]，形成多火核著火燃燒。（3）富燃混合氣體擴(kuò)散燃燒階段

高壓氧氣射流沿活塞頂面流動與缸內(nèi)混合氣體快速混合，自燃的混合氣對未燃混合氣加熱、加壓，火焰急速傳至整個燃燒室，形成醇、氫、氧融合燃燒。該燃燒速率取決于氧氣射流擴(kuò)散速率、甲醇重整率和混合氣當(dāng)量比，放熱率呈現(xiàn)前低后高特點[15]，既不同于傳統(tǒng)柴油機(jī)前高后低的放熱率，也不同于汽油機(jī)預(yù)混合燃燒的單峰放熱率，有效避免富氧、摻氫混合氣因燃燒速率過高造成燃燒粗暴。

3.2.3 副缸燃燒過程

來自主缸富燃混合氣的可燃廢氣，富含H高活性自由基和可燃的CO、甲醛等中間燃燒產(chǎn)物，具有一定燃燒熱值，為與副缸新鮮空氣混合再燃燒奠定基礎(chǔ)。主缸廢氣以一定壓力（0.4～0.5 MPa）和溫度（＞1 100 K）被壓入副缸，副缸進(jìn)氣系統(tǒng)適時提供經(jīng)過電動增壓器和廢氣渦輪增壓器二級增壓的具有一定壓力（0.4～0.5 MPa）和溫度（400～500 K）的新鮮空氣，二者混合燃燒。由于主缸廢氣再燃燒所需空氣量較少，增壓空氣不進(jìn)行中冷，也可提供充足的進(jìn)氣量保證“主缸廢氣”完全燃燒，有利于充分利用增壓空氣的內(nèi)能，提高副缸混合氣溫度，改善副缸混合氣燃燒過程。

4 發(fā)動機(jī)可行性分析

4.1 燃燒過程控制的可行性

4.1.1 甲醇缸內(nèi)無氧氛圍活化重整改質(zhì)

文獻(xiàn)[24-25]負(fù)閥重疊期燃料重整改質(zhì)試驗，間接驗證了無氧氛圍下甲醇改質(zhì)的可行性。本文新型發(fā)動機(jī)主缸利用內(nèi)部EGR，將廢氣中CH2O、HO2、H2O2、H等活性物質(zhì)一同留在缸內(nèi)，活化重整反應(yīng)取決于燃料產(chǎn)生的自由基濃度，混合氣體當(dāng)量比不同，則“燃燒廢氣”中所含燃燒產(chǎn)物及活化基團(tuán)成分和濃度也不同?；旌蠚庠綕?，燃料產(chǎn)生的自由基越多，氧化速度越快；燃空當(dāng)量比為1 的甲醇混合氣體，低溫時主要是HO2和OH 參與氧化反應(yīng)；燃空當(dāng)量比為1.4 時，甲醇大約有35%與H 發(fā)生反應(yīng)，剩余甲醇與HO2等自由基反應(yīng)[26-27]。濃甲醇混合氣燃燒廢氣中含有大量H、HO2活化基，在甲醇低溫反應(yīng)中起主要作用，而O 活化基的作用基本消失[28]。本發(fā)動機(jī)主缸燃料氧當(dāng)量比取1.43，隨甲醇混合氣體濃度提高，甲醇與H反應(yīng)變得更為重要，H自由基相對分子質(zhì)量小，擴(kuò)散速率高，最為活躍[26]，形成了甲醇無氧活化重整氛圍。

4.1.2 混合氣著火燃燒正時控制

可控壓縮燃燒著火時刻及燃燒速率控制涉及到溫度、壓力、混合氣成分因素。新型發(fā)動機(jī)通過控制氧氣射流溫度、壓力、噴射量和噴射正時，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)主缸著火正時和燃燒過程控制，當(dāng)主缸活塞運動至上止點附近時，由于缺少O2，混合氣體經(jīng)活化重整后，處于接近自燃又不能自燃的臨界狀態(tài)；O2噴入主缸后，射流外圍處于臨界狀態(tài)的混合氣體受到O2射流擠壓后溫度迅速上升，觸發(fā)氫氧鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，形成缸內(nèi)混合氣體多點自燃。甲醇活化重整反應(yīng)中積累的大量H2O2等活性物質(zhì)在高溫條件下發(fā)生支鏈反應(yīng)，促進(jìn)燃燒急速擴(kuò)展。

文獻(xiàn)[29-30]將改質(zhì)缸中富燃混合氣體燃燒廢氣作為改質(zhì)燃料，輸送到非改質(zhì)缸內(nèi)燃燒做功，提高了非改質(zhì)缸燃燒熱效率；蒸汽動力裝置中的“再熱循環(huán)”，工質(zhì)做功后溫度降低，再次被加熱后繼續(xù)膨脹做功，均為該發(fā)動機(jī)副缸燃燒提供借鑒。具有一定壓力和溫度的主缸燃燒廢氣中累積了大量活性物質(zhì)，當(dāng)被壓入副缸時，與副缸中新鮮空氣混合，發(fā)生氧化反應(yīng)：

氧化反應(yīng)產(chǎn)生高活性基團(tuán)HO2，后續(xù)鏈傳播反應(yīng)的能量壁壘相對較小，形成如下反應(yīng)：

上述反應(yīng)形成氣相射流多點著火，實現(xiàn)副缸可靠燃燒。

根據(jù)劉敬平等[31]研究，燃燒放熱面心值并不是越靠近上止點越好，當(dāng)50%燃燒量所處位置在上止點后7～10°曲軸轉(zhuǎn)角、最高爆發(fā)壓力在上止點后13～17°曲軸轉(zhuǎn)角、面心值出現(xiàn)在上止點后9.5～11°曲軸轉(zhuǎn)角時熱效率最高。該位置與混合氣燃燒速率及等容度有關(guān)，考慮到純氧甲醇混合氣燃燒速率極高，在混合氣著火和燃燒等容度有保證的前提下，利用氧氣射流正時適當(dāng)推遲混合氣著火時間，優(yōu)化燃燒放熱面心值，提高發(fā)動機(jī)熱功轉(zhuǎn)換效率。

4.1.3 工作循環(huán)穩(wěn)定性分析

為減小發(fā)動機(jī)工作循環(huán)波動，需維持混合氣體當(dāng)量比穩(wěn)定性。主缸余留廢氣率γrg定義為：主缸排氣結(jié)束時主缸內(nèi)余留廢氣量占主缸開始排氣時缸內(nèi)總氣體量的比值。假設(shè)燃燒后產(chǎn)物分布均勻，針對主缸余留廢氣中CO量，增加相應(yīng)噴氧量。

設(shè)主缸甲醇（CH3OH）噴射量為n；取混合氣體過量氧氣系數(shù)為0.7，氧氣含量為0.7×1.5n；燃燒主要產(chǎn)物CO、CO2、H2O 分別為：x、y、z；則其總包反應(yīng)方程式表示為：

根據(jù)物質(zhì)守恒定律則有：

聯(lián)解式（10）、式（11）和式（12）得：x=0.9n，y=0.1n，z=2n。

CO氧化反應(yīng)為：

為確保主缸混合氣過量氧氣系數(shù)不變，第i循環(huán)在噴射0.7×1.5nO2的基礎(chǔ)上，再根據(jù)（i-1）循環(huán)增加噴氧量：0.5xγrg，即噴氧量與噴甲醇量的關(guān)系為：

式中，mio2為第i次循環(huán)噴氧質(zhì)量；mi為第i次循環(huán)噴甲醇質(zhì)量；mi-1為第i-1次循環(huán)噴甲醇質(zhì)量；γrg為主缸余留廢氣率；MCH3OH為甲醇摩爾質(zhì)量；MO2為氧氣摩爾質(zhì)量。

整理式（14）得噴氧量與甲醇噴射量的關(guān)系為：

從（15）式看出，γrg高低，不僅影響甲醇活化重整和燃燒溫度，還影響噴氧量，ECU接受缸壓傳感器信息，根據(jù)主缸排氣門開、閉時曲軸轉(zhuǎn)角和缸壓變化，判別γrg是否合理，然后控制氣門電液控制閥，調(diào)整主缸排氣門開、閉時刻，實現(xiàn)對γrg控制，提高工作循環(huán)穩(wěn)定性。

4.2 發(fā)動機(jī)熱效率定性分析

4.2.1 壓縮比對熱效率的影響

發(fā)動機(jī)有效熱效率為指示熱效率和機(jī)械效率的乘積，發(fā)動機(jī)指示熱效率與發(fā)動機(jī)壓縮比（氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比）成正比。主缸混合氣體中氧氣組分與燃料混合過程得到有效控制，解決了壓力升高率過高問題，避免了發(fā)動機(jī)爆震燃燒；同時，壓縮行程與膨脹行程相分離，大幅度縮小了壓縮行程，提高了做功膨脹比。該發(fā)動機(jī)壓縮行程顯著小于活塞總行程，壓縮比增加幅度大于壓縮負(fù)功增加幅度，因此，發(fā)動機(jī)壓縮比可提升到18 以上。而發(fā)動機(jī)壓縮比由10:1提升至15:1，則理論熱效率至少提升9%[32]，可見，該新型發(fā)動機(jī)熱效率將得到顯著提升。

4.2.2 機(jī)械效率對熱效率的影響

機(jī)械效率取決于機(jī)械摩擦功、泵吸損失功和附件消耗功。該發(fā)動機(jī)實現(xiàn)了二沖程工作循環(huán)，機(jī)械摩擦功將降低約50%，提升發(fā)動機(jī)熱效率5%左右；由于取消了主缸進(jìn)氣門，泵吸損失功也減少50%以上，同時降低了驅(qū)動進(jìn)氣門所消耗功，綜合效果可提升發(fā)動機(jī)熱效率3%左右；此外由于甲醇重整改質(zhì)為富含H2等小分子燃料，混合氣在純氧氛圍中摻氫燃燒，燃燒速率顯著提升，燃燒等容度超過柴油機(jī)，將使發(fā)動機(jī)熱效率提升3%左右。

4.2.3 廢氣熱能利用對熱效率的影響

該新概念發(fā)動機(jī)主缸工作循環(huán)與蒸汽動力“抽氣回?zé)嵫h(huán)”原理相似，主缸將一部分燃燒廢氣留在缸內(nèi)，利用甲醇?xì)饣瘽摕嶂蹈咛攸c，吸收缸內(nèi)余留廢氣熱量而汽化，在降低壓縮負(fù)功的同時，提升甲醇混合氣體內(nèi)能，提高了甲醇混合氣燃燒溫度，從而提高了燃燒熱效率。副缸類似蒸汽動力“再熱循環(huán)”，主缸做功后的工質(zhì)在副缸內(nèi)“再燃燒”、膨脹做功，提高了廢氣能量利用。此外，利用渦輪增壓器回收利用副缸廢氣能量，提高副缸進(jìn)氣壓力能；利用氧氣氣流回收利用排氣管中廢氣熱量，提升氧氣射流內(nèi)能；多項技術(shù)并舉、綜合施策，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)高效、清潔做功。

由上分析可知：新構(gòu)建的甲醇發(fā)動機(jī)采用多項先進(jìn)技術(shù)，大幅提升發(fā)動機(jī)熱效率，若主缸熱效率超過53%，主缸導(dǎo)入副缸的廢氣熱量不低于總?cè)紵裏崃康?2%，副缸熱效率不低于33%，則，發(fā)動機(jī)的總熱效率為：53%+22%×33%=60.26%，具備突破60%熱效率的可行性。該發(fā)動機(jī)熱效率的提高，除受上述因素影響外，還受益于：

（1）向缸內(nèi)噴射O2射流，而O2火用值大于空氣火用值，提升了混合氣做功能力，其實質(zhì)是氣體儲能，將制氧過程消耗的能量轉(zhuǎn)換為燃燒能；

（2）利用富燃甲醇混合氣燃燒廢氣構(gòu)建活化重整氛圍，將甲醇重整改質(zhì)為小分子燃料，降低了燃燒可用能損失[33]。

4.3 發(fā)動機(jī)排放分析

4.3.1 NOx排放分析

由于主缸不對外排氣，副缸排放值決定了新概念發(fā)動機(jī)排放性能，其排放物主要是NOx、HC、CO、碳煙以及甲醛。發(fā)動機(jī)主缸采用O2代替空氣作為助燃劑，無氮（N）參與燃燒，從源頭消除NOx。副缸生成NOx需3 個條件，即較高的反應(yīng)溫度、氧濃度和時間。當(dāng)溫度超過1 600 K 時，NOx生成速度開始增加，溫度超過1 800 K時，反應(yīng)逐漸明顯[34]。副缸以主缸燃燒廢氣作燃料，燃燒熱值低，可控制副缸最高燃燒溫度在1 550 K，從而制約NOx生成反應(yīng)，實現(xiàn)NOx近零排放。

4.3.2 CH2O、CO、THC排放分析

主缸膨脹做功結(jié)束到燃燒廢氣導(dǎo)入副缸，缸內(nèi)溫度均在1 100 K以上，副缸最高燃燒溫度保持在1 550 K，過量空氣系數(shù)控制在1.2 左右，為主缸不完全燃燒產(chǎn)物提供了完全氧化的條件。據(jù)文獻(xiàn)[35]研究表明，燃燒溫度≥900 K 時，CH2O 氧化反應(yīng)開始加速，溫度為1 400 K 時，CH2O 完全氧化僅需0.35 ms；根據(jù)文獻(xiàn)[13]，溫度為1 400 K時OH基生成率增加，CO+OH=CO2+H 反應(yīng)加速，被公認(rèn)為CO 向CO2轉(zhuǎn)化的臨界溫度。可見，CH2O、CO 從主缸到副缸、再從副缸排入渦輪增壓器，有足夠溫度、時間被完全氧化。

改質(zhì)后的主缸混合氣體中富含H2和CO 等小分子燃料，可燃混合氣體的淬熄距離變短，近壁面的火焰淬熄層變薄，從而極大降低THC 排放。同時，主缸廢氣進(jìn)入副缸后，不再壓縮而直接混合燃燒，最高壓力降低，減弱了“狹隙效應(yīng)”。因此，副缸極大減少了THC 排放。而未燃HC 后期氧化溫度約為900 K[36]，即使有少量HC 生成，也會在排出渦輪增壓器前被氧化掉。

4.3.3 碳煙排放分析

甲醇是醇類中最小的分子，只含有1 個C 且存在C-O 鍵，其氧化速度大于裂解形成碳煙的速度，并且甲醇自含氧量高，其含氧質(zhì)量比為50%，燃燒所需氧氣量少，有利于混合氣體充分燃燒，在各種工況燃燒過程中均不易生成碳煙顆粒[37]。此外，甲醇C:H 比為1:4，燃燒速度快、燃燒火焰穩(wěn)定，因此，基本上可以不考慮甲醇發(fā)動機(jī)的碳煙排放。由于碳煙后期氧化溫度為1 000 K[36]，即使主缸有少量碳煙產(chǎn)生，也會在副缸中被氧化掉。

與純電動汽車和燃料電池汽車動力比，甲醇發(fā)動機(jī)仍產(chǎn)生CO2排放，但甲醇作為可再生燃料，既可利用煤化工廢棄物合成，也可利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)換而成，每合成甲醇1 t 可轉(zhuǎn)換CO2達(dá)1.375 t，通過CO2→CH3OH→CO2...，形成良性碳循環(huán)，實現(xiàn)燃料碳中和。

5 結(jié)束語

發(fā)動機(jī)工作效率隨工況變化而波動的幅度較大，而油電混合動力汽車的發(fā)展恰好彌補(bǔ)了發(fā)動機(jī)這一自身難以克服的缺陷，帶來發(fā)動機(jī)發(fā)展的新機(jī)遇。立足于我國能源資源稟賦，綜合考慮燃料使用費用、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)品供應(yīng)鏈因素，甲醇是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)碳中和的理想燃料。通過探索碳中和發(fā)動機(jī)架構(gòu)、分析其工作機(jī)理，形成如下結(jié)論：

（1）基于工質(zhì)移缸技術(shù)和甲醇的理化特性（氣化潛熱高、自含氧量高、H:C 比值高），對發(fā)動機(jī)主缸、副缸功能進(jìn)行分工和界定：主缸側(cè)重于提高發(fā)動機(jī)熱效率，副缸則側(cè)重于對主缸不完全燃燒產(chǎn)物的凈化處理；利用內(nèi)燃蘭金循環(huán)（ICRC）為甲醇構(gòu)建缸內(nèi)無氧熱化學(xué)重整改質(zhì)氛圍，將甲醇改質(zhì)為H2、CO、CH4小分子，廢氣熱量轉(zhuǎn)換為甲醇燃燒能，降低了燃燒可用能損失，有助于綜合提高發(fā)動機(jī)熱效率。

（2）利用成熟的可變氣門正時技術(shù)，合理控制主缸余留廢氣率，進(jìn)而控制副缸燃燒溫度，實現(xiàn)對不完全燃燒產(chǎn)物的凈化處理；隨著利用綠電合成甲醇技術(shù)日益成熟，主缸、副缸相互協(xié)作的新型發(fā)動機(jī)架構(gòu)，將使發(fā)動機(jī)碳中和成為現(xiàn)實。

（3）內(nèi)燃蘭金循環(huán)、工質(zhì)移缸、熱化學(xué)燃料改質(zhì)、氣體儲能和可變氣門正時技術(shù)，均有較系統(tǒng)的理論和大量試驗研究，將其有機(jī)融合于一體，實現(xiàn)燃燒能量多級回收利用，使發(fā)動機(jī)熱效率突破60%具有較高的可行性。

電動汽車是汽車產(chǎn)業(yè)顛覆式創(chuàng)新的重要領(lǐng)域。經(jīng)歷20多年發(fā)展，市場份額不斷提升，逐漸成為低碳移動出行的領(lǐng)先地位。碳中和發(fā)動機(jī)發(fā)展初期也會遇到各種艱難險阻，隨著碳中和發(fā)動機(jī)的發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的將來，將會形成電動車、燃料電池車、“油”電混合動力汽車共存的發(fā)展態(tài)勢。下一步將結(jié)合發(fā)動機(jī)模擬仿真，對本文所提方案試驗和優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計樣機(jī)，并對樣機(jī)性能進(jìn)行測試驗證。