甲醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及其醇醛排放特性的研究*

姚春德，曾麗麗，耿 鵬，李旭聰，王姝荔

(天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

前言

汽車(chē)保有量的增加和石油基燃料短缺使能源市場(chǎng)供需失衡。石油基燃料的日益消耗和環(huán)境法規(guī)的日趨嚴(yán)格使節(jié)能成為研究者們研究的熱點(diǎn)，探索一種可再生的、可持續(xù)發(fā)展的清潔代用燃料逐漸成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的研究重點(diǎn)［1］。目前，醇類(lèi)燃料(主要為甲醇和乙醇)、壓縮天然氣、液化石油氣、二甲醚和生物柴油等替代燃料已成為研究熱點(diǎn)。甲醇含氧達(dá)50%，燃燒時(shí)無(wú)碳煙生成，且CO、HC常規(guī)排放物和PAH非常規(guī)排放物少，是一種原料來(lái)源廣泛的燃料。甲醇的生產(chǎn)技術(shù)成熟，產(chǎn)量大，是理想的石油替代燃料之一。甲醇在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用已有較長(zhǎng)的歷史，由于甲醇與汽油相溶，且密度相近，所以摻醇汽油在國(guó)內(nèi)外都得到一定程度的應(yīng)用。我國(guó)一些資源條件較好的地區(qū)，如山西等地，甲醇汽油的應(yīng)用較為普遍。

甲醇具有和汽油相似的物理與化學(xué)性質(zhì)，辛烷值比汽油高，有增加發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比來(lái)提高熱效率的潛力。甲醇的汽化潛熱大，可以增加充量。國(guó)內(nèi)外對(duì)于電控汽油機(jī)燃用低比例的甲醇汽油混合燃料的燃燒特性已有較多的研究［2－6］。但研究工作多集中于低比例摻醇，對(duì)中、高比例摻醇的研究不多。因此，本文中將針對(duì)摻醇比延伸至中等比例甚至以上的甲醇汽油，當(dāng)其用做發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)，其缸內(nèi)燃燒特點(diǎn)進(jìn)行全面的分析，并且探究摻醇后燃料的醇醛排放和經(jīng)濟(jì)性變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)SQR477F 1.5L單頂置凸輪軸自然吸氣式歧管?chē)娚淦蜋C(jī)，表1為其主要技術(shù)參數(shù)。圖1為汽油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布置示意圖，主要試驗(yàn)設(shè)備包括:奕科WE32H型水渦流測(cè)功機(jī)，奕科FCM-03瞬態(tài)油耗測(cè)量?jī)x，傅立葉變換紅外光譜分析儀(AVL SESAM FTIR)用于實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)未燃甲醇和甲醛排放。Kistler 6118BFD16Q01A41型火花塞缸壓傳感器用于測(cè)量缸壓信號(hào)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用汽油為93號(hào)汽油，甲醇純度為99.9%，表2列出常溫下其主要性能參數(shù)。本文中所用的3種不同比例甲醇汽油的性能如表3所示，為了能夠客觀了解甲醇與汽油混合后燃料的燃燒性能，研究過(guò)程中甲醇汽油不加任何添加劑，發(fā)動(dòng)機(jī)不做任何改動(dòng)。為避免甲醇汽油遇水分離的現(xiàn)象發(fā)生，甲醇汽油均為現(xiàn)場(chǎng)配置。試驗(yàn)工況點(diǎn)采用國(guó)外推薦的轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)城市道路工況和高速公路工況下的典型轉(zhuǎn)速2 000和3 600r/min，選取中小負(fù)荷和中高負(fù)荷(40和80N·m)作為分析負(fù)荷點(diǎn)。

表2 汽油和甲醇性質(zhì)

表3 混合燃料的組成和性質(zhì)

2 燃燒特性分析

2.1 燃燒壓力分析

圖2為兩種轉(zhuǎn)速下，兩種負(fù)荷時(shí)燃用3種燃料的缸壓隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，甲醇的比例越大，壓力曲線(xiàn)上升階段越提前，最大缸壓的值越大，其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置越靠前。即M50的峰值壓力最大，出現(xiàn)的時(shí)間最早。這是因?yàn)榧状紵嶂档?，發(fā)出相同轉(zhuǎn)矩所需要的燃料量增加，循環(huán)供油量增大。甲醇在進(jìn)氣過(guò)程中，隨著空氣進(jìn)入氣缸，甲醇汽化潛熱吸收熱量，使混合氣溫度降低，雖然低溫對(duì)著火滯燃期起負(fù)面影響，但是甲醇含碳原子數(shù)較少，分子量小(相對(duì)于汽油)，它的燃燒歷程比汽油燃燒簡(jiǎn)單。甲醇的最小點(diǎn)火能量低于汽油［1］，著火界限寬于汽油，化學(xué)反應(yīng)速度(燃燒速度)比含碳原子多的汽油快，幾乎是汽油的1.5倍，這時(shí)溫度對(duì)滯燃期的負(fù)面影響降到次要地位，因此摻燒甲醇后缸壓最大值比汽油的高。由于火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，燃燒定容性較好，所以最大壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置比純汽油的提前。

2.2 放熱率和放熱量分析

以下選擇低速低負(fù)荷和高速高負(fù)荷工況進(jìn)行放熱分析。圖3為瞬時(shí)放熱率和累計(jì)放熱量的對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，摻混甲醇后混合燃料的最大放熱率比純汽油的高，摻醇量越大，則放熱率曲線(xiàn)越提前，最大放熱率越大。因?yàn)榧状既紵俣群突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣缺绕涂?，燃燒定容性較好，燃燒持續(xù)期短，過(guò)后燃燒程度小，加之醇類(lèi)燃料在燃燒過(guò)程中的自供氧效應(yīng)，使燃燒較為均勻，局部富氧和局部缺氧的幾率減小，燃燒趨于完善。雖甲醇的汽化潛熱大，但在進(jìn)入氣缸之前沿途吸收歧管和汽缸壁周?chē)鸁崃空舭l(fā)汽化，且進(jìn)氣和壓縮沖程的時(shí)間足夠長(zhǎng)足以將汽化潛熱的影響降低。從以上分析也可得出，甲醇汽油混合燃料燃燒比較完善，可降低CO和HC的生成量，使其大部分都以CO2和H2O的形式排出。

2.3 示功圖和燃燒持續(xù)期分析

圖4為 2 000r/min、40N·m 和 3 600r/min、80N·m工況下的示功圖。由圖可見(jiàn)，混合燃料模式下由于最大爆發(fā)壓力比純汽油模式高且出現(xiàn)位置提前，接近上止點(diǎn)，定容放熱的比例加大，放熱集中。定量計(jì)算可得，2 000r/min時(shí)，M15和M50示功圖面積與M0相比分別增加了4.2%和4.8%，3 600r/min時(shí)分別增加了5.1%和1.9%，說(shuō)明燃用甲醇汽油指示功大于純汽油模式。此外，甲醇的汽化熱約比汽油高3倍，它在進(jìn)入進(jìn)氣管、進(jìn)氣道或氣缸后，能吸收沿途管道壁面和燃燒室周?chē)邷亓慵诿娴臒崃渴棺约赫舭l(fā)。這就等于利用了部分廢熱、余熱使自己的能位上升，同時(shí)降低了氣缸、燃燒室和氣缸蓋的溫度，從而減少了對(duì)外傳熱量和散熱量，提高了效率。圖5為2 000和3 600r/min 3種燃料的燃燒持續(xù)期對(duì)比圖(90%燃燒放熱率對(duì)應(yīng)的角度－10%燃燒放熱率對(duì)應(yīng)的角度)。由圖可以看出，燃用混合燃料的燃燒持續(xù)期隨著摻醇比例的增加而降低，這說(shuō)明燃用甲醇汽油后，由于混合燃料中含氧，且火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，燃燒速度快，故主燃期縮短。

2.4 循環(huán)變動(dòng)分析

圖6為最大燃燒壓力循環(huán)變動(dòng)率的對(duì)比。高轉(zhuǎn)速的循環(huán)變動(dòng)率整體高于低轉(zhuǎn)速下的循環(huán)變動(dòng)率，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加，缸內(nèi)渦流和湍流增強(qiáng)，導(dǎo)致火花塞間隙附近混合氣濃度擾動(dòng)大，燃燒循環(huán)變動(dòng)增加。循環(huán)變動(dòng)隨著摻醇比例的增加而降低，是因?yàn)閾酱己笕加突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣缺绕涂?，燃燒速度快，加之燃料的自供氧作用，主燃期短，放熱集中，因此摻醇燃料循環(huán)變動(dòng)率降低。

3 甲醇和甲醛排放分析

在內(nèi)燃機(jī)中燃用甲醇時(shí)，非常規(guī)排放主要為未燃甲醇和甲醛。圖7為甲醇排放的對(duì)比。由圖可見(jiàn)，催化前M0的甲醇排放較低，甲醇排放隨著摻醇比例的增加顯著增加，隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，表明甲醇排放幾乎全部來(lái)源于燃料中的甲醇。未燃甲醇通過(guò)缸內(nèi)壁面淬熄、狹隙效應(yīng)等生成，由于生成源中吸附的燃油量隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低［10］，且由于負(fù)荷升高或轉(zhuǎn)速升高后缸內(nèi)溫度和排溫隨之升高，缸內(nèi)和排氣管中甲醇氧化加快，因此，高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速下甲醛排放降低，催化后未燃甲醇實(shí)現(xiàn)零排放。

甲醛排放如圖8所示。催化前，甲醛主要來(lái)源于兩個(gè)方面:一是來(lái)自碳?xì)涞牟煌耆趸?，二是?lái)自未燃甲醇的不完全氧化。汽油摻燒甲醇后甲醛排放增加，且摻醇比例越大，甲醛排放越高。圖9為汽油和甲醇脫氫生成甲醛示意圖。甲醛是大部分含碳?xì)涞娜剂涎趸窂缴献詈髱讉€(gè)中間物質(zhì)之一，圖中虛線(xiàn)表示多步反應(yīng)，實(shí)線(xiàn)表示單步反應(yīng)。汽油的反應(yīng)路徑較甲醇復(fù)雜得多，反應(yīng)流也較甲醇氧化分散。事實(shí)上，在反應(yīng)路徑中，越靠近燃料和完全燃燒產(chǎn)物的中間物質(zhì)其濃度越高［11］，甲醛為甲醇燃料的直接脫氫產(chǎn)物，相比于汽油，甲醛與燃料的關(guān)系更緊密，故甲醇比例越大甲醛排放越高，甲醇的加入對(duì)甲醛排放的升高有促進(jìn)作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，甲醛排放先增加后降低?？赡苁羌状佳趸珊图兹┭趸膬煞N因素共同作用的結(jié)果。當(dāng)負(fù)荷較低時(shí)，缸內(nèi)溫度較低，甲醇不完全氧化生成甲醛的速率大于甲醛氧化消耗的速率，故甲醛排放逐漸升高;當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)升高，燃燒溫度逐漸增加，甲醇逐漸完全氧化，且甲醛氧化速度逐漸增加，所以甲醛排放呈下降趨勢(shì)。催化后，3種燃料的甲醛排放幾乎降為零，催化轉(zhuǎn)換率高。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

圖10為轉(zhuǎn)換成汽油熱值下的等效比油耗對(duì)比圖。由圖可以看出，油耗均隨著負(fù)荷的增加而降低，在中高負(fù)荷工況下，甲醇汽油的當(dāng)量油耗比純汽油的低，其中3 600r/min工況下M50降幅最大，比純汽油降低了9%。而在低負(fù)荷條件下，殘余廢氣溫度和缸內(nèi)溫度偏低，甲醇汽化潛熱比汽油大，使壓縮終點(diǎn)溫度更低，不足以完全燃燒，燃燒過(guò)程品質(zhì)差，熱效率低，故甲醇汽油油耗比純汽油的高。

5 結(jié)論

(1)摻醇量越多，缸內(nèi)最大燃燒壓力的值越大，其出現(xiàn)位置對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置越靠前。

(2)甲醇汽油混合燃料的最大放熱率比純汽油的高，出現(xiàn)時(shí)間比汽油的早，放熱接近上止點(diǎn)，燃燒等容度大，燃燒效率高。摻醇汽油主燃期較純汽油縮短。燃用甲醇汽油之后發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)減小，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。

(3)摻醇比例越大，未燃甲醇和甲醛排放越高，催化后均可實(shí)現(xiàn)零排放。中高負(fù)荷下，甲醇汽油的等效油耗比純汽油的低，M50與純汽油相比最大降幅可達(dá)9%。

［1］何學(xué)良，詹永厚，李疏松.內(nèi)燃機(jī)燃料［M］.北京:中國(guó)石化出版社，1999:11.

［2］Patel K S，Hencin N A.Burning Velocities in Methanol-indolene Air Mixtures in a CFR Engine［C］.SAE Paper 850111.

［3］Liu Shenghua，Eddy R C，Hu Tiegang，et al.Study of Spark Ignition Engine Fueled with Methanol/Gasoline Fuel Blends［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27(11):1904 －1910.

［4］Bilgin A，Sezer I.Effects of Methanol Addition to Gasoline on the Performance and Fuel Cost of a Spark Ignition Engine［J］.Energy＆ Fuels，2008，22(4):2782 －2788.

［5］王艷華，鄭國(guó)璋.甲醇燃料在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26(2):22 －25.

［6］張輝.甲醇汽油燃燒過(guò)程及排放特性的研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2006.

［7］Fang Gewen，Gao X.Improvement of Combustion from Spark Ignition Engines Fueled with Dual Fuels［C］.SAE Paper 952411.

［8］祁東輝，陳昊，任學(xué)成.電噴汽油機(jī)燃用甲醇/汽油混合燃料的燃燒特性［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，8(4):20 －24.

［9］Eyidogan M，Ozsezen A N，Canakci M，et al.Impact of Alcoholgasoline Fuel Blends on the Performance and Combustion Characteristics of an SI Engine［J］.Fuel，2010，89(10):2713 － 2720.

［10］苗海燕，黃佐華，李繼軍，等.汽油機(jī)燃用含氧燃料時(shí)碳?xì)渖蛇^(guò)程的研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，32(7):32 －36.

［11］許漢君，姚春德，徐廣蘭，等.甲醇對(duì)正庚烷層流預(yù)混火焰影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32(4):715 －719.