甲醇发动机掺烧甲醇裂解气当量比燃烧特性研究

蒋炎坤，陈烨欣，何都，鲁伟，梅梓晗

(华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

面对我国“缺油、少气、富煤”的资源特点，在“保能源安全”的背景下，煤制甲醇是一种理想的发动机燃料。此外，通过可再生能源捕获CO制取甲醇，并将其作为能源的移动载体是实现“碳中和”的途径之一。甲醇具有来源广泛、可再生、辛烷值高、氧含量高、火焰传播速度快的特性，但甲醇汽化潜热大，冷启动困难。在催化剂作用下，通过回收发动机尾气余热可以将液态甲醇催化裂解为甲醇裂解气。理想状态下该裂解气为一种富氢气体，其H与CO物质的量之比是2∶1，能够有效解决液态甲醇冷启动困难和腐蚀性问题，同时回收利用了尾气余热。甲醇裂解气中富含氢气，点火能量低、放热速度快、可燃极限广，从而使发动机缸内燃烧更接近定容燃烧。研究表明，将甲醇裂解气作为燃料可以提高发动机的经济性和排放性能，对于点燃式发动机，当量燃料消耗率较原机下降可达24%，NO和CO排放分别可下降90%和50%。在动力性方面，使用甲醇裂解气会导致充气效率下降，从而导致全负荷输出功率减小。目前，大多数研究都集中在纯甲醇裂解气、汽油掺烧甲醇裂解气以及甲醇掺烧氢气等燃料的燃烧特性研究上，较少涉及到甲醇与甲醇裂解气的掺混燃烧，因此在甲醇发动机上进行掺混甲醇裂解气的研究具有重要的理论价值和现实意义。本研究在前期研究的基础上，以一台进气道预混甲醇点燃式发动机为原型，对甲醇掺烧甲醇裂解气当量比燃烧特性进行了研究，为甲醇裂解气实际应用于甲醇发动机掺混燃烧提供了理论依据。

1 发动机模型建立与验证

试验和仿真所使用的进气道预混甲醇点燃式发动机主要参数见表1。根据表中的几何数据，在不影响计算分析准确性的前提下，考虑计算效率，建立带进排气道的单缸模型(见图1)。

表1 甲醇发动机参数

三维模型的基本网格尺寸设置为2 mm，同时对局部进行网格加密：加密进排气门和气门座附近网格至1 mm，设置半径为5 mm的球形区域，加密火花塞附近网格至0.25 mm。因为在计算中主要关注缸内燃烧对发动机的影响，为了提高计算效率，减少计算时间，未对排气道网格进行加密处理。

图1 甲醇发动机三维模型

基于Converge进行三维仿真，湍流模型采用RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)模型，点火模型采用Source/sink modeling模型，燃烧模型采用SAGE模型来模拟甲醇发动机的预混燃烧，传热模型采用Han-Reitz模型，NO排放模型采用扩展Zeldovich模型。根据台架试验数据和相关经验数据给出模型的边界条件(见表2)。

表2 边界条件设定

图2示出了发动机台架示意。试验过程中，测功机经由弹性联轴器与甲醇发动机相连，控制发动机的转速和负载，测功机另一端连接上位机，可以直接记录和调整运行参数。供油油路中，液态甲醇通过燃油滤清器、醇耗仪进入供油油轨并同时记录甲醇消耗量。选取发动机转速分别为1 500 r/min，2 000 r/min，2 500 r/min和3 000 r/min，为了保证发动机的动力性和经济性，同时考虑到工作负荷，控制CA50为6°～10°ATDC，缸压峰值不超过9 MPa。在运行稳定后，记录缸压、转速、扭矩和醇耗量等参数。通过甲醇机试验缸压数据验证三维模型，选取的工况见表3。

图2 发动机台架示意

表3 试验工况

缸内压力试验及模拟曲线对比结果见图3。表4示出了缸压峰值误差Δ及缸压峰值的曲轴转角误差Δ。

图3 试验数据与仿真数据对比

表4 缸压峰值误差Δpi与曲轴转角误差Δθi

从图3和表4中可以看出，模拟结果与试验结果符合良好，最大缸压及其对应的曲轴转角最大误差分别为0.1 MPa和3°。因此，基于上述标定模型能较准确地进行原机的燃烧特性分析。

2 替代比对发动机特性的影响分析

固定转速为2 500 r/min，进气压力为 98.7 kPa，过量空气系数为1，改变甲醇裂解气替代比(Substitution Ratio，SR)，分别为0%(纯甲醇)，10%，30%，50%和80%，研究裂解气替代比对甲醇发动机燃烧特性及性能的影响。理想条件下甲醇完全裂解反应如下：

(1)

根据式(1)定义甲醇裂解气是物质的量之比为2∶1的H与CO的混合气。替代比定义为甲醇裂解气质量与燃料总质量的比值，即

(2)

式中：SR为甲醇裂解气替代比；为甲醇裂解气质量；为液态甲醇质量。

2.1 对燃烧特性的影响

为了探究甲醇裂解气替代比对缸内燃烧的影响，保持发动机点火提前角为13.5°不变。图4示出了替代比分别为0%，10%，30%，50%和80%情况下的缸内压力曲线。

图4 不同替代比下的缸压曲线

随着替代比的增大，缸压峰值不断提高，对应的曲轴转角不断前移。相比于纯甲醇，最大缸压相应增大0.60 MPa，1.11 MPa，1.41 MPa和1.95 MPa，增大比例分别为12.3%，22.8%，30.0%和40.0%，对应曲轴转角相应提前了4°，6°，8°和16°。当替代比达到80%时，缸内最大压力已经出现在上止点之前。这是因为随着替代比增大，混合气中的氢气含量增加，而氢气火焰传播速度快，放热重心前移从而导致缸压峰值对应的曲轴转角不断提前。

图5示出不同替代比下的放热率曲线，图中CA10，CA50和CA90分别表示累计放热量为10%，50%和90%所对应的曲轴转角。

图5 不同替代比下的放热率曲线

由图5放热率曲线可以看出，随着替代比的增大，放热率变化趋势与缸压的变化趋势相同，放热率峰值分别达到59 J/(°)，66 J/(°)，83 J/(°)，92 J/(°)和133 J/(°)，相应曲轴转角不断前移，释放热量更加集中且迅速，当替代比达到80%时，放热已经主要集中在上止点之前，这也进一步说明了该条件下最大缸内压力出现在压缩阶段的原因。

表5示出不同替代比下的燃烧特征参数，表中表示燃烧持续期，定义为CA90和CA10的差值。由表5可知， 甲醇裂解气替代比的增加会导致CA10，CA50和CA90都不断提前，并且燃烧持续期逐渐缩短，与放热率规律一致。这是因为甲醇裂解气是一种富氢燃料，氢气的点火能量低，层流火焰传播速度快，有利于火核的稳定形成，因此滞燃期缩短，CA10提前；同时氢气层流火焰传播速度快，相同时间内释放出更多热量，放热率峰值提高，放热集中在上止点，急燃期缩短，CA50提前；同时后燃期也会加快结束，整体的燃烧持续期缩短。

表5 不同替代比下的燃烧特征参数

2.2 对发动机做功性能的影响

固定转速为2 500 r/min，改变点火正时，通过三维仿真研究不同掺烧比例对发动机做功能力的影响。做功能力用平均指示压力(Indicated Mean Engine Pressure，IMEP)表征，表示活塞单位面积上的作用力。

从图6可以看出，对于给定的替代比，点火提前角不断增大会导致IMEP先增大后减小。当点火提前角过小时，整个燃烧过程后移，最大压力对应的曲轴转角偏离上止点，做功能力下降；当点火提前过大时，会造成过多燃料在上止点之前燃烧，导致压缩负功变大，动力性能下降。

图6 不同替代比下平均指示压力与点火提前角的关系

对比不同替代比下的最佳提前角可以发现，替代比的增大会导致最佳点火提前角逐渐推迟，当替代比为0%(纯甲醇)，10%，30%，50%和80%时，对应的最佳点火提前角分别为13.5°，13.5°，12°，10.5°和4.5°BTDC。由前文对缸压曲线及放热率曲线的分析可知，增大甲醇裂解气的替代比，混合气的燃烧速度加快，放热重心前移，更加靠近上止点，造成压缩阶段的压缩负功增加，因此需要推迟点火提前角以达到较好的动力输出。同时，即使在最佳点火提前角下，随着替代比的增大，发动机的IMEP逐渐减小，从原机的1.11 MPa分别减小为1.10 MPa，1.07 MPa，1.03 MPa和0.97 MPa，下降比例达到了0.9%，3.6%，7.2%和12.6%。动力性能逐渐下降，主要原因是进入缸内的工质质量和总热值减少(见图7)。

当替代比为10%，30%，50%和80%时，进入缸内的总质量相比于纯甲醇分别下降了2.43%，6.85%，9.38%和16.98%，进入缸内的燃料总热值分别下降了1.08%，3.37%，3.59%和6.32%。在进气压力不变时，每循环进入气缸的气体体积未发生明显变化。当燃料为当量比混合时，相同体积下甲醇裂解气与空气的混合气热值要小于纯甲醇与空气的混合气热值。因此虽然甲醇裂解气能够回收部分发动机尾气余热能量，热值更高，但进入气缸的燃料总量和总热值会不断下降，并且替代比越大，下降越明显。

图7 不同替代比下的进缸燃料质量和热值变化

2.3 对指示热效率的影响

固定发动机的转速和负荷不变，同时调整其到最佳点火提前角，通过三维仿真研究不同替代比对指示热效率的影响。这里分别定义两种指示热效率，综合指示热效率和燃料指示热效率：

(3)

(4)

式中：表示单缸循环指示功；表示每循环进入缸内燃料的总热值；表示每循环从尾气中回收的热量。对于，认为甲醇裂解气热值中有部分来自于尾气中的能量，消耗的甲醇裂解气热值应该以等质量的气态甲醇热值来进行计算，即是考虑尾气余热回收后的热效率。而则不考虑甲醇裂解气的能量来源，只考虑进缸燃料在缸内的燃烧情况，即是没有考虑尾气余热回收的热效率。

图8示出了指示热效率随甲醇裂解气替代比的变化曲线。如图8所示，随着替代比的增大，综合指示热效率先增大后减小，在替代比为50%时达到最大值，为41.26%，而燃料指示热效率则一直呈现下降趋势。主要原因是，甲醇裂解气富含氢气，火焰传播速度快，会导致缸内燃烧温度升高，相应的壁面传热损失增大，在相同的输出功下需要更大的进缸总热值，燃料指示热效率下降；进缸总热值增大，其中余热回收的能量也在不断增大，两种因素共同决定了综合指示热效率的变化。

图8 不同替代比下的指示热效率变化

表6示出了在相同转速与负荷下，不同替代比下进缸总热值、余热回收能量和净能量-。可以看到，随着替代比的增大，净能量先减小后增大，但一直小于纯甲醇工况下的燃料热值，因此相应的综合热效率先增大后减小，但均高于原机。

表6 不同替代比下进缸能量

3 结论

a) 甲醇发动机掺混甲醇裂解气后，缸内的燃烧重心前移，燃烧过程缩短，放热更加集中，更接近等容燃烧；缸压峰值和放热率峰值呈现升高的趋势，对应的曲轴转角提前；

b) 对于给定的甲醇裂解气替代比，IMEP随着点火提前角的增加先增大后减小；随着替代比的增大，最佳点火提前角会逐渐推迟；在最佳点火正时下，发动机动力性能会随着替代比增加有所下降，当替代比为10%，30%，50%和80%时，IMEP下降比例分别为0.9%，3.6%，7.2%和12.6%;

c) 在最佳点火提前角下，随着替代比的增大，燃料指示热效率有所降低；但由于甲醇裂解装置通过裂解甲醇回收了部分尾气余热，所以考虑尾气余热回收后的综合指示热效率先增大后减小,且始终高于原机效率。