甲醇裂解器起燃特性的試驗(yàn)研究

吳亞蘭，楊永廣，程勇

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南250014；4.德爾福（上海）動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)有限公司，上海200131）

甲醇裂解器起燃特性的試驗(yàn)研究

吳亞蘭1，2，楊永廣3，程勇4

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南250014；4.德爾福（上海）動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)有限公司，上海200131）

甲醇作為發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料，以液態(tài)形式直接應(yīng)用會腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)。利用排氣余熱將甲醇裂解后燃燒，可有效緩解純甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難的情況。文章通過臺架試驗(yàn)，對甲醇裂解器的起燃過程進(jìn)行了研究，分析了環(huán)境溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后負(fù)荷加載情況對裂解器起燃時(shí)間的影響。結(jié)果表明:環(huán)境溫度的提高、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加以及點(diǎn)火提前角的推遲會有效縮短甲醇裂解器的起燃時(shí)間；模擬道路工況下，隨著排氣管及裂解器處的氣流運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致其散熱速率加快，裂解器溫度上升緩慢，甲醇裂解率受裂解器入口溫度的影響較大。

發(fā)動(dòng)機(jī)；甲醇裂解器；起燃特性

0 引言

隨著我國石油進(jìn)口依賴度的增加以及大氣污染問題的加劇，人們亟需尋找發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料。甲醇來源廣泛，可由煤炭、天然氣、海藻等含碳資源生產(chǎn)而來。甲醇是含氧燃料，可在缸內(nèi)燃燒充分，并且汽化潛熱較大，可降低缸內(nèi)溫度，有效降低CO濃度以及排放量。因此研究開發(fā)以甲醇為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)具有重要意義［1-4］。

液態(tài)甲醇對發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸以及供油系統(tǒng)具有腐蝕性，并對輸油橡膠管路具有溶脹作用，甲醇汽化潛熱是汽油的3.7倍，甲醇機(jī)冷起動(dòng)困難，并且會產(chǎn)生高溫氣阻。因此，液態(tài)甲醇直接應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)仍存在一些問題。利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱將甲醇裂解，將液態(tài)甲醇轉(zhuǎn)化成CO和H2，避免了液態(tài)甲醇對內(nèi)燃機(jī)有關(guān)部件的腐蝕性，因此，對甲醇裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究越來越受到關(guān)注［5-7］。甲醇吸收廢氣余熱進(jìn)行汽化、裂解過程中吸收的熱量相當(dāng)于液態(tài)甲醇低熱值的21%，即甲醇裂解氣的低熱值較液體甲醇提高了21%左右［8］。

對進(jìn)氣道噴射式汽油機(jī)，可將裂解氣送入進(jìn)氣管，在進(jìn)氣過程中隨空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)參與燃燒。在發(fā)動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，尤其是氣溫低時(shí)，甲醇裂解器溫度較低，裂解器不能提供足夠的能量使甲醇蒸發(fā)、裂解。自發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)至裂解器能正常工作這段時(shí)間稱為起燃時(shí)間。相同的裂解器的起燃時(shí)間受環(huán)境溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)工況的影響。文章通過臺架試驗(yàn)，測定和分析了環(huán)境溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后負(fù)荷加載情況對裂解器起燃時(shí)間的影響［9-10］。

1 裂解器結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)臺架

甲醇裂解器分為蒸發(fā)器和反應(yīng)器兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。蒸發(fā)器中換熱器采用翅片管，反應(yīng)器中采用普通管殼式換熱器，在管內(nèi)放置四川中自尾氣凈化有限公司提供的鈀系催化劑。以耐高溫蜂窩體為載體，鈀負(fù)載量為2 g／L。裂解器采用逆向換熱，液體甲醇從排氣流向的下游方向噴入蒸發(fā)器的翅片管內(nèi)加熱，液態(tài)甲醇在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，隨后進(jìn)入反應(yīng)器，在高溫以及催化劑的作用下裂解為CO和H2，產(chǎn)生的裂解氣從排氣上游方向流出。

圖1 甲醇裂解結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺架布置，主要包括湘儀電渦流測功機(jī)及控制系統(tǒng)、東風(fēng)EQ491i汽油機(jī)、ECU標(biāo)定軟件Pchud，自行開發(fā)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、缸壓采集測試系統(tǒng)、甲醇噴射控制系統(tǒng)，以及高濃度在線H2檢測儀排放分析儀和相關(guān)的傳感器。

試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)通過汽油起動(dòng)，利用熱電偶和自行開發(fā)的溫度采集系統(tǒng)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和裂解器入口、出口溫度，以及裂解器內(nèi)部催化劑附近的溫度（裂解器溫度），研究裂解器起燃特性。待甲醇裂解器達(dá)到甲醇裂解所需要的溫度后，通過噴嘴將液態(tài)甲醇噴入，逐漸增加甲醇的噴射量、降低汽油的噴射量最終切換為純甲醇裂解氣工作模式。

文章討論的環(huán)境溫度均取自試驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)室自然環(huán)境溫度，啟動(dòng)時(shí)盡量保證控制模式一致。

2 裂解器起燃特性測試分析

甲醇裂解器的起燃定義為裂解器能夠提供足夠的熱量，使甲醇蒸發(fā)、并開始裂解，產(chǎn)生CO和H2。裂解器起燃時(shí)間為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到甲醇裂解器達(dá)到裂解所需溫度的過程。

發(fā)動(dòng)機(jī)采用汽油起動(dòng)，固定節(jié)氣門開度及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，監(jiān)測裂解器溫度，并在裂解器不同溫度階段向裂解器噴入甲醇。試驗(yàn)結(jié)果表明，裂解器溫度未達(dá)到起燃溫度時(shí)，甲醇在裂解器中無H2產(chǎn)生，相同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、不發(fā)生明顯變化，表明甲醇未發(fā)生裂解。而當(dāng)裂解器溫度升到280℃時(shí)，噴入甲醇后裂解器管路中H2濃度達(dá)到35%，轉(zhuǎn)速不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩開始逐漸增加，是因?yàn)榇藭r(shí)甲醇發(fā)生了裂解并且進(jìn)入氣缸參與了燃燒。當(dāng)裂解器溫度達(dá)到300℃時(shí)，增加甲醇后，甲醇裂解器管路中氫氣體積濃度達(dá)到45%左右，發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度明顯加快，這是因?yàn)橛蠬2進(jìn)入氣缸參與燃燒所致，因此將該裂解器的起燃溫度確定為300℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，裂解器從環(huán)境溫度升到300℃所需時(shí)間是表征裂解器性能的一個(gè)重要參數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)及甲醇裂解器一定的情況下，起燃時(shí)間取決于環(huán)境溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及隨后的運(yùn)轉(zhuǎn)工況等。

2.1 環(huán)境溫度對起燃時(shí)間的影響

在不同的環(huán)境溫度下，按照相同的起動(dòng)、加載模式控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作。測量發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、裂解器入口溫度以及裂解器催化劑部分的溫度變化。測量結(jié)果如圖2所示，為試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、加載模式圖如圖2（a）所示，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，由怠速調(diào)節(jié)至1500 r／min、30 N·m，并穩(wěn)定。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，甲醇裂解器入口的溫度受環(huán)境溫度影響的變化曲線圖如圖2（b）所示，裂解器的起燃時(shí)間受環(huán)境溫度的影響如圖2（c）所示。

隨著環(huán)境溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)時(shí)間降低、排氣管散熱量減少的影響，起燃時(shí)間逐漸縮短。在固定的起動(dòng)、熱機(jī)情況下，環(huán)境溫度每降低1℃，需要延長28 s。

圖2 冷起動(dòng)時(shí)環(huán)境溫度對起燃時(shí)間影響

2.2 負(fù)荷加載情況對起燃時(shí)間的影響

環(huán)境溫度為10℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后分別控制在怠速850 r／min，在轉(zhuǎn)遇為1300 r／min其因扭距分別為20 N·m、35 N·m、40 N·m工況下運(yùn)行，測量記錄發(fā)動(dòng)機(jī)排溫和甲醇裂解器入口溫度等參數(shù)隨時(shí)間的變化如圖3所示，其中圖3（a）為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度隨時(shí)間的變化曲線，圖3（b）為甲醇裂解器入口溫度隨時(shí)間的變化曲線。

由圖3可知，在環(huán)境溫度較低的情況下，以怠速工況進(jìn)行熱機(jī)，由于散熱量較大，廢氣產(chǎn)生的余熱在短時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到起燃溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)在1300 r／min、20 N·m的工況下甲醇裂解器達(dá)到起燃溫度需要15min左右。相比怠速工況，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，裂解器起燃時(shí)間明顯縮短。

圖3 負(fù)荷加載模式對起燃時(shí)間的影響圖

為了盡快達(dá)到裂解器的起燃溫度，在環(huán)境溫度一定的情況下，適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速有利于縮短裂解器的起燃時(shí)間。適當(dāng)推遲點(diǎn)火提前角，可以提高排氣溫度，也有利于加快裂解器的起燃。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，如果將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高至1800 r／min、扭矩為40 N·m左右，如圖4（a）所示，同時(shí)將點(diǎn)火提前角相比原機(jī)推遲5℃A（A為曲柄轉(zhuǎn)角），甲醇裂解器起燃時(shí)間即可縮短至148 s，如圖4（b）所示。

圖4 甲醇裂解器快速起燃曲線圖

2.3 模擬道路工況下的起燃時(shí)間

當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，由于排氣管及裂解器散熱量增加，裂解器起燃時(shí)間延長。裂解器實(shí)車工作時(shí)，存在空氣對裂解器的強(qiáng)制冷卻，也勢必影響裂解器的起燃特性。通過變頻風(fēng)機(jī)，對車輛在道路工況下，甲醇裂解器入口溫度受風(fēng)速的影響進(jìn)行了模擬。試驗(yàn)中，采用北京檢測儀器有限公司ZRQF—F30J型智能熱球式風(fēng)速計(jì)測量風(fēng)速，將冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)速調(diào)節(jié)為50 km／h。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為15℃，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管及甲醇裂解器未采取保溫措施。參照圖3所示加載模式，啟動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)分別保持怠速、怠速迅速調(diào)節(jié)至1300 r／min、20 N·m及1300 r／min、40 N·m，測量對比了模擬道路工況和正常臺架試驗(yàn)工況時(shí)裂解器達(dá)到起燃溫度的時(shí)間，在未對甲醇裂解器采取保溫措施時(shí)，道路模擬與臺架試驗(yàn)起燃時(shí)間的對比曲線圖如圖6所示。由于在道路工況下，排氣管以及甲醇裂解器的散熱量較大，三種工況下都無法達(dá)到起燃溫度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管以及甲醇裂解器進(jìn)行較好的保溫處理，減少熱量的散失，縮短起燃時(shí)間。另外，點(diǎn)火提前角的推遲會有利于起燃時(shí)間的縮短。

2.4 不同裂解器的入口溫度時(shí)的裂解率

甲醇裂解器實(shí)車運(yùn)行時(shí)，由于裂解器散熱情況不同，會導(dǎo)致裂解器工作溫度不同，進(jìn)而影響裂解器裂解率。通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)速，改變甲醇裂解器的入口溫度，測量甲醇裂解率。通過改變變頻風(fēng)機(jī)的風(fēng)速來監(jiān)測試驗(yàn)所需的不同甲醇裂解器入口溫度。實(shí)時(shí)監(jiān)測不同裂解器溫度下H2的體積濃度并收集裂解后的甲醇裂解氣進(jìn)行分析，得出甲醇裂解率，甲醇裂解率隨入口溫度變化規(guī)律如圖6所示。

圖5 道路模擬與臺架試驗(yàn)起燃時(shí)間對比圖

圖6 甲醇裂解率隨入口溫度變化規(guī)律圖

鈀系催化劑具有較寬的溫度活性范圍，耐高溫并具有熱穩(wěn)定性。由圖6可知，甲醇裂解率受裂解器溫度的影響。隨著甲醇裂解器入口溫度從450℃增加到600℃，甲醇裂解率由50%增加到80%。甲醇裂解率越高，混合氣中CO和H2的含量就越高，越有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒，對于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放特性有明顯的增強(qiáng)。

3 結(jié)論

通過本研究可知:

（1）隨著環(huán)境溫度的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)時(shí)間加長，排氣管以及甲醇裂解器的散熱量增加，甲醇裂解器的起燃時(shí)間增加。增加熱機(jī)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，以及適當(dāng)推遲點(diǎn)火提前角，都可以降低甲醇裂解器的起燃時(shí)間。

（2）模擬道路工況表明，隨著排氣管及裂解器處的氣流運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致其散熱速度加快，裂解器溫度上升緩慢。隨著裂解器溫度入口的升高，甲醇裂解率逐漸升高。實(shí)際應(yīng)用中可采取措施盡量提高裂解器入口溫度。

［1］ 單衛(wèi)國.中國石油報(bào)告2013［R］.北京:中石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，2013.

［2］ 蔣德明，黃佐華.內(nèi)燃機(jī)替代燃料燃燒學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2007.

［3］ 林在犁，巫波，劉清泉.本世紀(jì)我國內(nèi)燃機(jī)燃料的發(fā)展分析［J］.內(nèi)燃機(jī)，2009，12（6）:1-5.

［4］ 趙勇強(qiáng).車用替代燃料發(fā)展?fàn)顩r與前景［J］.中國能源，2009，4（4）:33-36.

［5］ 孫立兵.具有能源戰(zhàn)略意義的甲醇—車用替代燃料及其生產(chǎn)［J］.化工管理，2008（4）:59-61.

［6］ 姚春德，徐元利等.一種高效清潔燃燒純甲醇燃料的新方法探索［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41（10）:1196-1201.

［7］ 紀(jì)常偉，鄧福山等.內(nèi)燃機(jī)余熱甲醇催化重整制氫裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35（6）:815-819.

［8］ Finegold J.G..Reformed methanol vehicle system considerations［C］.Proceedings of the 18th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，Orlando，F(xiàn)lorida，USA，1983.

［9］ 楊永廣.甲醇裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2011.

［10］王進(jìn).純甲醇裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2013.

（責(zé)任編輯：吳芹）

Study on the light-off characteristics ofmethanol reformer

Wu Yalan1，2，Yang Yongguang3，Cheng Yong4

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China；3.School of Energy＆Power Engineering，Shandong University，Jinan 250014，China；4.Delphi（Shanghai）Dynamics＆Propulsion Systems Co.，Ltd.，Shanghai200131，China）

As an alternative fuel，methanol directly applied in liquid form will corrode engine.Using exhaust heat to methanol cracking after burning，can effectively alleviate the problem of cold start behavior ofmethanol.This paper focuses on the light-off characteristics ofmethanol reformer and its influencing factors in engine's cold starting.The testing results show that the light-off time significantly increases when engine block and exhaust pipe are at lower temperature.The light-off process can be speeded up by raising engine's load and speed after starting as well as reduce spark advance.Road simulation results indicate that the reformer temperature rising speed would be reduced for heat dissipating caused by airmotion intensification.Methanol reforming is affected by the temperature of methanol reformer，and it is necessary to cover the exhaust pipe and the reformer system with heat insulation materials in real application.

engine；methanol reformer；light-off characteristics

TK418.9

A

1673-7644（2014）06-0525-05

2014-06-06

吳亞蘭（1964-），女，副教授，碩士，主要從事汽車設(shè)計(jì)研究等方面的研究.E-mail:WYLCZF＠126.com