掺氢氨发动机的燃烧理论研究

工程热力学为基础，并用氢气作为引燃燃料，分析掺氢比（占混合燃料体积百分含量，下同）对氨燃料燃烧的提升作用。

1.氨燃料的理化特性

氨中不含碳，燃烧不产生碳化合物，本身也不是温室气体。所以，采用氨作为燃料不会加剧温室效应。氨与其他常用燃料的部分性能特点如表1所示。

从表1可以看出，氨作为燃料时具有如下特征：①低热值较低，即单位质量的氨燃烧产生的热较少，这个特性要求使用氨作为燃料时，必须要有大的进气压力或是增大发动机压缩比，从而使更多的氨进入发动机缸内；②氨的能量密度较氢和天然气高，这意味着在同种工况下，同一辆汽车行驶相同里程时，所需的氨容量比氢和天然气更少，这样就可以采用较小的燃料箱以节省车用空间，或者可以通过减少汽车装载燃料的质量间接提高汽车的有效装载能力；③氨有较高的燃点和最小点火能量，所以氨发动机的点火方式一般是火花塞点燃，且使用引燃燃料。最佳的引燃燃料是氢，具有燃烧界限宽、火焰传播速度快、燃烧温度高等特点。

2.掺氢氨发动机燃烧性能分析

2.1计算模型

氨发动机机的工作循环被看作是发生在闭口系统中的热力学循环，即定容加热循环。研究掺氢氨发动机的热力学循环时，首先作假设如下：①缸内混合气为理想气体，混合气的焓、内能和比热能等热力学参数仅与燃气的组分和温度有关，气体的动能和势能忽略不计；②燃烧过程在上止点瞬时完成，而且在等熵压缩及等熵膨胀的过程中气缸内的工质组分不变，在过量空气系数是1.00的条件下认为燃烧效率为100%；③认为等熵压缩和等熵膨胀冲程都是多变过程，而且多变指数仅受组分和温度变化影响；④认为进排气相位的重叠角是0°，即进排气门打开和关闭的过程是在活塞上下止点瞬时完成的；⑤认为进排气行程都是绝热的。

对于掺氢氨发动机，混合气在气缸内燃烧时遵循定容加热循环理论，图1是点燃式发动机的理论工作循环示意图（其中4-4’是多变指数与过程，该行程在点燃式发动机实际工作中并不存在，仅是在计算排气温度时考虑的一段理想过程）。然后可以根据前述热力学循环计算模型，计算任意掺氢比下循环中各点的缸内温度、压力和体积。

2.2不同氢含量的氢氨燃料理化性能分析

一般燃料的理化特性能很大程度上决定发动机性能的优劣。空燃比和混合气热值是直接影响发动机的结构设计及技术经济性的重要参数。发动机的燃料抗爆性、着火性、效率和排放等与空燃比密切相关，而低热值则决定了发动机的最大功率，低热值相对较高的气体燃料能够使发动机输出更大功率。图2是氢氨混合燃料的低热值和空燃比随掺氢比变化的关系图。从图2可以看出，混合燃料的低热值和空燃比都随着掺氢比的增加而减小，当掺氢比为50%时，燃料低热值从3.15kJ/cm³降至2.88kJ/cm³，降低了7.1%；理论空燃比则由3.550减小到2.965，减小了16.5%。因此，在不考虑混合燃料不正常燃烧的条件下，进气量相同时，随着掺氢比的增加，气体低热值降低，发动机的输出功率会随之降低。所以，为了使发动机能够输出大的功率，需要提高进气量，一般可通过采用增压技术实现。

一般使用发动机的燃料能量流量等参数来衡量发动机的燃油经济性。燃料能量流量是某一工况下单位时间内进入发动机的燃料总能量。与氨相比，单位体积氢气燃烧放出的能量较少，因此，燃料总能量随着掺氢比的增加而减小。所以，为了提高燃料总能量，需要增加进入气缸内的燃料数量，这可以通过增大进气压力或是增大发动机压缩比等技术来实现。

2.3不同氢含量的氢氨燃料燃烧特性分析

与理想热力学模型相比，韦伯函数基于实际燃烧规律建立了累积放热分数、火焰发展期和快速燃烧持续期之间的关系，再用韦伯效率参数来控制韦伯方程中累积放热分数随曲轴转角变化曲线的形状。所以，韦伯方程可以很好地用来定性分析发动机的实际燃烧过程。韦伯效率参数与掺氢比的变化关系及拟合的函数关系式、检验值R2如图3所示。从图3可以看出，韦伯效率参数随掺氢比的增加呈现先上升后降低的趋势，呈现较为明显的二次函数特征。

由韦伯函数累积放热分数与曲轴转角、韦伯效率参数等的关系可以推出，在相同曲轴转角位置时，随着掺氢比的增加，累积放热分数提高。这主要是因为与氨相比，氢气的点火能量极低，约为氨的3/10000，更容易被点燃，使燃烧持續期缩短，进而减少发动机的传热损失；而且，燃烧持续期的缩短，使排气时被废气带走的热量减少，进而减少发动机的排气损失。因此，掺氢对提高发动机的热效率有很大的积极作用。

发动机的主要性能参数有指示效率、平均指示有效压力等。本文选取掺氢比分别为10%、20%、30%、40%和50%的氢氨混合燃料，分析了其平均指示有效压力及指示效率与过量空气系数的关系，如图4、5所示。

指示效率是评价发动机气缸内部热力过程完成的完善程度的主要参数。如图4所示，在同一掺氢比下，指示效率随着过量空气系数的增加而逐渐增大；而在同一过量空气系数下，指示效率随着掺氢比的增大呈现先增大后减小的趋势。这是因为在过量空气系数较小时，氧气浓度低，并且氢先与氧气发生反应，造成氨气不完全燃烧，从而指示效率较小。但是，随着过量空气系数变大，氧气浓度也逐渐增大，使得氨气充分燃烧，该范围内的指示效率随着过量空气系数的变化而产生较大的变化；随着掺氢比例的增大，混合气体燃料和空气的配比会达到最佳，此时燃料会完全燃烧，从而达到最大指示效率，超过最佳配比，就会逐渐减小。

平均指示有效压力是反映发动机做功能力高低的一个重要参数。如图5所示，掺氢10%时发动机的平均指示有效压力最大。在过量空气系数一定时，平均指示有效应力随着掺氢比的增加而逐渐减小。过量空气系数为1.2时，平均指示有效应力降低了6.8%。这是由于掺入氢气造成混合燃料的热值下降，因而在相同的循环进气量条件下，燃烧后释放的能量减少，进而使发动机做功能力下降，即随着氢气比例的增加，平均指示有效压力逐渐减小；而当过量空气系数较小时，混合气较浓，负荷较大，使得平均指示有效压力较高。综合考虑，选择氢氨混合燃料中氢的体积百分含量为10%，则可满足发动机动力性和经济性的双重要求。

3.结论

①对不同氢含量的氢氨燃料理化性能进行计算，随着掺氢比的增加，氢氨混合燃料的理论空燃比和低热值均减小，燃料总能量也减小，为提高发动机功率可采用增压技术。

②对不同氢含量的氢氨混合燃料燃烧性能进行计算，随着掺氢比的增加，氢氨混合燃料的指示效率先增加后减小，平均指示有效压力逐渐减小。从发动机的动力性和经济性两方面综合考虑，选择掺氢10%的氢氨混合燃料作为发动机燃料。