甲醇摻混富氫混合氣在發動機缸內燃燒特性研究進展

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的能量載體，在能源動力領域有著廣闊的應用前景。利用發動機余熱將甲醇裂解為富氫混合氣，再摻入發動機缸內燃燒的技術可提高能源利用效率，減少污染物排放。基于燃料特點，從氧化機理、著火延遲時間、火焰傳播速度等方面給出了摻混富氫氣體對甲醇燃料基礎燃燒特性的影響。考慮到富氫氣體的摻混燃燒有利于加快火焰傳播速度及擴展稀薄燃燒極限，給出了發動機缸內火焰傳播、燃燒放熱、循環效率、污染物排放等方面的變化規律。本研究為甲醇摻混富氫混合氣燃燒過程調控及其在點燃式發動機中的應用提供了理論基礎和應用支撐，在保能源安全及“雙碳”綠色發展時代背景下具有重要意義。

關鍵詞：甲醇發動機；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 文獻標志碼：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的同時，降低對環境的影響成為了一個迫切需要解決的問題^［1］。發展清潔能源、提高能源利用效率以及降低碳排放是當前我國能源政策的重要內容。因此，尋找一種具有較高能量密度、低污染、可持續的替代能源，成為了我國能源領域的研究重點^［2］。

甲醇是一種具有高能量密度、易儲存和運輸的替代燃料。作為氫的載體，甲醇可以通過裂解或者重整制氫，將氫轉化為更容易儲存和運輸的形式，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，因此儲存和運輸過程相對簡便，可以利用現有的石油基礎設施^［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境和人體健康的影響。甲醇可以從煤炭、天然氣和生物質等多種資源中合成得到，具有較強的資源可持續性，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域具有廣泛的應用前景，被譽為“液態陽光”^［7］。

當甲醇作為發動機燃料使用時，其燃燒過程產生的碳氫化合物排放種類與汽油相似，但排放量顯著低于更復雜的碳氫化合物燃料，展現出在改善空氣質量方面的顯著優勢^［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）、較快的火焰傳播速度、較高的辛烷值及較低的碳氫比等^［9］。根據當前的發動機基準測試（EBTs）和車輛駕駛測試（CDTs）結果可知，在絕大多數情況下，使用甲醇的發動機排放的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）和顆粒物（PM）量均低于汽油發動機，且二氧化碳（CO）排放量也相應減少^［10］。這些燃燒特性的變化會因發動機類型、冷卻條件、運行條件以及催化轉換器等因素的不同而異。然而，普遍趨勢表明，采用甲醇作為發動機燃料，在節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合印發了《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》，鼓勵發展甲醇汽車和車用甲醇燃料。2020年4月中央政治局會議強調做好的“六保”之一就包括“保能源安全”。2022年3月23日《氫能產業發展中長期規劃（2021～2035年）》要求擴大工業領域氫能替代化石能源應用規模，積極引導合成甲醇、煉化等行業由高碳工藝向低碳工藝轉變。在“碳達峰”與“碳中和”的時代背景下，開展甲醇在發動機內的高效清潔燃燒研究有著重要意義。

1 富氫混合氣發動機及其燃料

在發動機運行過程中，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行回收，并利用其對發動機燃料進行重整或者裂解，可以生成熱值更高的富氫混合氣體^［12］。該概念已經通過使用不同裝置的多項研究得到了探索^［13］。Fennel等^［14］設計了一個與多缸GDI發動機集成的、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現。利用廢氣再循環（EGR）回路將部分發動機排氣作為進料氣體引入重整器中，所產生的重整氣隨后被送入發動機的進氣歧管（R-EGR）。在GDI發動機中，與傳統EGR相比，R-EGR在提升發動機效率、降低NO和PM排放方面顯示出優勢，這歸功于稀薄燃燒極限的擴展。有研究者提出，在GDI發動機中應用縮小尺寸策略和增壓裝置進行廢氣燃料重整是非常有益的，因為這樣可以將操作IMEP轉移到更高負荷下，進而提升排氣溫度^［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用研究的重點。因此，甲醇重整氣體可以作為發動機的獨立燃料使用^［9］。Poran等^［16］探究了車載甲醇蒸氣重整（MSR）技術及其與高壓熱化學回收系統（TCR）結合使用，通過直接噴射方式引入內燃機的效果。研究發現，當使用100%甲醇蒸氣重整產品作為直噴點燃式（DISI）發動機燃料時，發動機的指示效率提高了18%～39%。與使用汽油相比，在廣泛的發動機負荷范圍內，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動機的排氣余熱，在573 K的重整溫度下，通過CuO-ZnO/AlO催化劑進行MSR反應。研究結果顯示：甲醇的最大轉化率達到93%，產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］通過數值仿真比較了使用甲醇和乙醇作為重整燃料加入發動機燃燒的效率。結果表明：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，因此發動機效率也得以提升。

本研究中前期發現：以甲醇為發動機燃料，利用發動機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，引進發動機缸內參與燃燒，可減少發動機排放、降低發動機油耗^［20-21］。以此技術為基礎的動力系統稱為“醇氫動力系統”^［22］。具體來說，首先利用發動機的尾氣余熱氣化和催化裂解甲醇，生成物質的量比例為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氣道加入到發動機氣缸內與燃料混合燃燒，如圖1所示^［23］。甲醇裂解氣中氣體組分的性質如表1所示^［24-25］，可以看出氫氣的可燃極限更寬，火焰傳播速度更快，點火能量更低。

該方法相較于甲醇水蒸氣重整制氫作為發動機燃料而言主要有以下優點：（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）甲醇裂解反應可提升21%的燃料熱值，大于甲醇重整反應的13%；（4）甲醇裂解的產物均為可燃氣體，理想情況下不包含會稀釋燃料的CO氣體。

綜合上述討論，通過利用發動機尾氣余熱制備富氫混合氣，并將其混合到發動機缸內燃燒，能夠提高燃料的熱值，改善發動機缸內的燃燒過程，提升熱效率，并減少污染物排放。當前關于甲醇發動機的文獻綜述主要集中在純甲醇發動機的研究上，對甲醇摻氫發動機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動機的研究綜述。接下來將從富氫混合燃料的基礎燃燒特性及其在發動機缸內燃燒的應用兩個方面，分析當前的研究進展。

2 富氫混合燃料基礎燃燒特性研究

2.1 氧化機理模型

為了深入研究摻混富氫混合氣對燃料燃燒過程的影響，需要構建燃料的氧化機理模型^［27］。該模型是由一系列的基元反應及其熱力學參數構成，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反應與反應過程中的各種組分^［28］。機理模型可以用來模擬發動機缸內的點火、火焰傳播、中間產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機理研究較少，故主要總結了當前對甲醇和合成氣的氧化機理研究。Thi等^［30］通過激波yvgQr3PofHlyyqsF0VLgsA==管試驗測量了在870～1 350 K，壓力為0.2，1.0，2.0 MPa，當量比為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系統的動力學模型，并通過激波管、快速壓縮機和定容彈等試驗驗證了機理的準確性，其壓力范圍為0.1～7 MPa，溫度范圍為914～2 220 K，當量比范圍為0.1～4.0。

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

Burke等^［36］總結了前人對甲醇氧化機理的研究，基于新的試驗數據，提出了甲醇氧化的詳細動力學模型，并通過其試驗結果和前人試驗數據對比驗證了新的機理。其驗證方法包括激波管、快速壓縮機和射流攪拌反應器，壓力范圍為0.1～5 MPa，溫度范圍為800～1 650 K，當量比范圍為0.2～2.0。此外，對層流預混火焰速度的模擬也與Vancoillie等^［37］的試驗數據一致。該機理是詳細且經過充分試驗驗證的甲醇氧化機理，但包含173個組分和1 011個基元反應，對于發動機燃燒過程的三維模擬來說耗時過長。Pichler和Nilsson^［38］分析了內燃機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理，該機理驗證的當量比范圍為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，目前關于甲醇摻混富氫混合氣的燃燒機理主要集中在合成氣機理研究和甲醇機理研究兩方面，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值得進一步開展。

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通過激波管試驗完成，這與典型發動機運行條件存在顯著差異。隨著測量技術的進步，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^［39］。利用快速壓縮機（RCM）和激波管在高壓條件下的最新試驗揭示了測量結果與理論計算之間的差異，主要是由于未能準確分析HO/HO在鏈式反應中的關鍵作用，特別是CO+HO====CO+OH反應的影響^［40-41］。Mansfield和Wooldridge^［42］使用快速壓縮機探究了富氫混合氣在低溫下的點火特性，試驗中H/CO的物質的量之比為0.7，溫度范圍為870～1 150 K，壓力范圍為0.3～1.5 MPa，當量比為0.1和0.5。研究發現存在兩種不同的點火行為，這些不同的行為分別被歸因于空間均勻點火和局部反應的差異。

在當量比為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）的變化表現出復雜的行為模式。在高溫區域，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的中溫區間，隨著壓力從0.16 MPa增加到3.2 MPa，IDT呈現出輕微下降甚至上升的趨勢。這主要是因為氫氣點火機制中，高溫區域主導的鏈分支反應H+O====O+OH與低溫區域主導的與壓力密切相關的鏈傳播反應H+O+M====HO+M之間的競爭造成的。在高壓環境下，后者的反應更為有利，這抑制了鏈分支反應，導致在壓力增高時IDT反而延長^［31］。

當富氫混合氣中含有CO時，CO的存在因活化能的降低而對IDT產生明顯的抑制效應。壓力從1.5 MPa增加到3 MPa時，CO的抑制效應變得更加顯著，壓力的增加延遲了CO的氧化過程。當壓力超過3 MPa時，抑制效應的增量將不再顯著。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理模型的計算結果^［44］。隨著裂解率的增大，混合氣燃料的著火延遲時間增長；在低溫范圍內這種影響較為明顯，但這種效應會隨著溫度的升高而減弱。從試驗數據來看，在高溫范圍內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為CHOH+HO====CHOH+HO，在1 500 K時最重要的基元反應為O+H====O+OH。由于甲醇裂解氣中存在H，與H相關的基元反應H+OH====H+HO和CHOH+H====CHOH+H在氧化過程中發揮了更重要的作用。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為CHOH+HO====CHOH+HO。當一部分CHOH裂解為H和CO后，CHOH的濃度降低，反應速率下降，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變得不那么明顯。此外，CHOH+H====CHOH+H的敏感性系數隨著溫度的升高而增大，該反應增加了著火延遲時間。H的加入抑制了CHOH+H====CHOH+H反應，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 火焰傳播速度

層流火焰傳播速度（LFS）是由壓力、溫度、混合物成分以及當量比所決定的^［45］。在標準溫度和壓力條件下，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的火焰傳播速度進行了試驗測量和數值模擬，試驗設置的初始溫度為303 K，當量比范圍為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。研究結果表明：Li機制^［33］與測得的預混富氫混合氣火焰的層流火焰傳播速度非常吻合，特別是在稀薄燃燒條件下。而在燃料過濃的條件下，預期與試驗結果之間有輕微差異。火焰傳播速度隨著當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量比方向移動，這歸因于氫氣極高的擴散率^［48］。當向混合物中添加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。熱力學和化學動力學的分析顯示，盡管添加CO對絕熱火焰溫度有顯著影響，但其在化學動力學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量比條件下的化學效應。然而，當添加約75%的CO時，層流火焰速度的提升主要歸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現，氫氣因其高擴散性、低分子質量和高層流火焰速度，在火焰傳播過程中扮演了關鍵角色。Ji等^［52］對H與CO比例對O和OH自由基生成的影響進行了探討，并進一步指出，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式反應速率。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］會顯著影響火焰傳播速度，而氫氣的加入可提升它們的濃度^［55］。Xiao等通過定容彈的試驗測量了甲醇與氫氣混合燃料的火焰傳播速度，發現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量比的增加先增大后減小，在當量比為1.2附近達到峰值，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）的火焰傳播速度對添加甲醇裂解氣敏感性高于稀燃料混合氣（φ＜1）。例如摻混20%的甲醇裂解氣在φ=0.8時可提升火焰傳播速度12.1 cm/s，而在φ61wP/d2gORTWxBmzVzoLIQ===1.2時可提升火焰傳播速度20.3 cm/s。這是由于在濃燃料條件下甲醇裂解氣的反應活性高于稀燃料條件下的反應活性，根據前人的研究，當H單獨加入碳氫化合物時也會存在類似的現象^［57］，這種現象可以歸因于基準燃料和混合燃料的分子質量差異較大^［58］。此外，隨著摻混比的增加，最大火焰傳播速度出現的當量比逐漸增加，由于富氫混合氣與空氣混合燃料火焰傳播速度的峰值出現在當量比2.0附近^［59］，因此在當量比為0.6～1.4的范圍內，高摻混比混合燃料的火焰傳播速度隨著當量比的增加單調遞增，增加幅度逐漸變小。

圖4 不同摻混比下層流火焰速度隨當量比的變化

3 富氫混合燃料發動機性能研究

3.1 缸內火焰傳播特性

富氫氣體作為燃料燃燒的化學動力學機理已經過了理論分析和試驗驗證，試驗溫度和壓力已經覆蓋了發動機的常用工況^［31］。氫氣相比傳統的碳氫化合物燃料有更高的火焰傳播速度^［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傳播速度^［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大。當氫氣含量達到9%時，過量空氣系數可以達到3.0^［62］。平均指示壓力（IMEP）隨著過量空氣系數的增加而降低^［63］。摻燒富氫燃料可顯著降低稀薄燃燒時IMEP的循環變動（COV）^［64-65］，過量空氣系數較大時該效應更顯著^［66］。在甲醇中摻燒富氫混合氣還可以降低發動機的爆震傾向^［67-68］。

Gong等^［62］采用中等壓縮比的甲醇摻氫發動機研究了甲醇晚噴策略下不同摻氫比例、過量空氣系數和點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混加入，甲醇缸內直噴。結果表明：摻氫后發動機的點火時刻可以適度推遲，相較于純甲醇發動機具有更大的調節空間。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燃燒穩定性，擴大稀薄燃燒極限^［63］。

在提高氫氣含量時，為了避免壓力峰值過于接近上止點（TDC），從而影響發動機的工作效率，必須減小點火提前角。Mustafi等^［69］通過調節點火時刻，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，其理想的點火時刻相應更靠近TDC。同樣，Arroyo等^［51］注意到，含有較高氫氣比例的合成氣在缸內燃燒時會產生更高的壓力峰值，且這些峰值出現的時間更接近于TDC，因此在將汽油發動機改造為適用于富氫混合氣時，需要相應延后點火時間。Ji等^［52］的研究中對這些燃燒參數進行了測量，發現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期，這一現象歸因于火焰速度的提高。Bika等^［70］和Ran等^［71］進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條件下進行測量，發現燃燒持續期和著火延遲期受所有研究參數影響，尤其是隨著H含量的減少和CO含量的增加，燃燒持續期減小、著火延遲期增加，而更高的當量比和壓縮比縮短了這兩個間隔。

富氫混合氣燃燒的穩定性及其低循環變動率（COV）也得到了Arroyo等^［51］的試驗研究證實。他們對比了不同燃料的燃燒性能，結果顯示：即使在低負荷和低轉速條件下，富氫混合氣的燃燒也表現出了較高的穩定性，沒有出現失火現象，與甲烷和生物氣在相同當量比下的表現形成了鮮明對比。這種穩定的燃燒模式讓富氫混合氣在稀薄燃燒條件下展現出了特殊的優勢。進一步研究表明：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］也發現了類似的現象。

3.2 熱效率

在氫氣對發動機缸內燃燒和熱效率的影響方面，添加氫氣可以縮短火焰發展期^［72］，使燃燒重心前移，更接近上止點^［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］。然而在低轉速下并不總是符合這一規律^［75］，噴射正時也對發動機的熱效率有著重要影響^［76］。較高的火焰傳播速度使發動機缸內的熱力循環更接近于定容循環，從而提高了發動機的熱效率^［65］。Zhang等^［72］的甲醇發動機摻氫試驗結果表明，摻氫后制動熱效率（BTE）有所提高，當歧管壓力由38 kPa增加到83 kPa時，體積分數3%的摻氫導致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動機效率從35.88%提升至39.54%。

利用發動機的排氣余熱裂解甲醇制取富氫氣體作為發動機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甲醇發動機在扭矩為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，該負荷條件下，甲醇摻混甲醇裂解氣發動機的總甲醇消耗率低于純甲醇發動機，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氣流速。當溫度高于923 K時，發動機和重整器的效率分別增加了8%和超過100%，這表明基礎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，發動機效率雖有4%的提升，重整器效率卻未達到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］發現在重整氣發動機全負荷運行并達到最大壓力峰值時，還是存在一定的爆震風險，爆震主要是源于缸內壓力而不是溫度。Marculescu等^［81］通過提高空氣過量系數至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、當量比以及壓縮比對爆震觸發的影響，研究結果表明，隨著CO比例的增加，爆震抵抗力提高，這是因為較高的CO比例意味著混合物的反應性較低。這一發現說明，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，進而提升發動機的熱效率^［82］。

3.3 污染物排放

在污染物排放方面，與傳統汽油相比，富氫燃料的火焰傳播速度更快，可燃極限更寬，化學反應過程更短，缸內燃燒更充分，因此，CO排放量可能低于汽油發動機^{［75，83］}，HC的排放量也相應降低^{［71，84］}。然而，由于富氫混合氣中含有大量的CO，當使用乙醇裂解產生的富氫混合氣作為發動機燃料時，CO排放量也可能會增加^［66］。富氫氣體的火焰傳播速度快，燃燒放熱速率高，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］。在無負荷的工況下，HC，CO和NO的排放量隨著發動機轉速的增加而增加^［89］。

Zhang等^［72］通過比較氫氣體積分數分別為0%和3%的混合氣發現，摻氫后發動機缸內的峰值溫度升高，排氣閥開口處的缸內溫度降低，HC和CO排放量下降，NO排放量略有增加。Nuthan等^［88］的試驗結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。點火時刻是影響點燃式發動機火焰形成、早期燃燒過程和排放的重要參數^［75］，通過優化點火提前角可以降低發動機的NO排放量^［90］。Zhen等^［91］的研究表明：在高壓縮比發動機中使用甲醇/氫、乙醇/氫和甲烷/氫混合物作為燃料時，發現甲醇/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］發現，氫氣以直噴的形式加入可以提高火花塞周圍氫氣的濃度，分層燃燒可以使點火更迅速更穩定^［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實現^［97］。姚春德等^［98］的研究結果表明：甲醇裂解氣的主要成分為H和CO，當過量空氣系數高于1.4時，NO排放量減少90%，CO排放量顯著降低。

4 總結與展望

綜上所述，雖然氫是一種零碳清潔燃料，但作為交通運輸領域的燃料，如今仍然面臨著存儲運輸成本高、泄漏以及爆炸風險的挑戰。本研究介紹了以甲醇作為氫能的載體應用于動力系統的富氫混合氣發動機及其燃料特點，總結了甲醇摻混富氫混合氣基礎燃燒及其在發動機缸內的燃燒特性，分析了燃燒特性對發動機性能的影響并介紹了最新的研究進展。利用發動機尾氣余熱將甲醇裂解為富氫混合燃料，再使其通過進氣道進入發動機缸內與甲醇混合燃燒，可以利用部分排氣余熱，提高能量轉換效率，降低排放。該技術能夠利用現有發動機技術和燃油供應基礎設施，有著廣泛的應用前景。同時，還有以下研究值得進一步開展：

1） 進行更多富氫混合燃料的試驗，用以標定和優化適用于發動機缸內燃燒三維仿真的簡化機理模型，包括測量著火延遲時間的快速壓縮機試驗，測量火焰傳播速度的定容彈試驗和測量組分濃度變化的射流攪拌試驗等；

2） 通過調控燃料噴射、點火和氣體流動等各項參數，優化富氫混合氣發動機缸內混合氣的流動和燃燒過程，實現發動機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受到空速和溫度的影響，甲醇裂解氣成分的穩定性及其與缸內燃燒過程、尾氣流速和溫度的匹配值得進一步的研究與優化。

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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］