EGR回路噴甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究

胡廣，王炳輝，陳永芳，蘇永衡

(1.寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315211； 2.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶工程學(xué)院，浙江 舟山 316021)

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EGR回路噴甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究

胡廣1，王炳輝1，陳永芳2，蘇永衡1

(1.寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315211； 2.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶工程學(xué)院，浙江 舟山 316021)

在YC6A220C柴油機(jī)上進(jìn)行了進(jìn)氣道噴甲醇結(jié)合EGR的試驗(yàn)研究，在保持原柴油機(jī)動力性基本不變的基礎(chǔ)上，研究了在不同負(fù)荷下，選用不同的EGR率和不同甲醇消耗率對原機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、NOx和炭煙排放的影響。研究結(jié)果表明：單純地使用EGR對于降低NOx效果比較明顯，但是難以同時降低炭煙的排放，尤其當(dāng)EGR率超過30%時，隨著EGR率或者負(fù)荷的增加炭煙也急劇增加。向回路噴入適量甲醇后，不但可以保證NOx排放減少，而且炭煙排放也可以大幅度降低。在1 500 r/min(最大扭矩轉(zhuǎn)速)下，在EGR率為20%～35%，甲醇消耗率為50～70 g/(kW·h)范圍內(nèi)，可以同時降低NOx和炭煙排放。發(fā)動機(jī)的動力性和燃油消耗略有降低，排放水平均低于燃用0號柴油。

柴油機(jī)； 廢氣再循環(huán)； 動力性； 經(jīng)濟(jì)性； 氮氧化合物； 炭煙

目前，國內(nèi)對于柴油機(jī)上燃用甲醇的研究一般都著重于柴油-甲醇的乳化燃料方面。柴油-甲醇乳化液的性質(zhì)不穩(wěn)定，久置易分層，且不利于儲存，為此，本試驗(yàn)采用在外部循環(huán)EGR回路進(jìn)氣道內(nèi)噴甲醇的方式，避免了柴油-甲醇直接乳化所產(chǎn)生的問題。柴油機(jī)正常工作時尾氣余熱溫度可高達(dá)300～400 ℃，而甲醇的沸點(diǎn)為64.7 ℃，利用尾氣余熱足以將甲醇汽化，隨著尾氣一同進(jìn)入柴油機(jī)氣缸中。甲醇還可以起到增氧的作用，減少廢氣排放量，使尾氣中的HC含量降低。而且由于甲醇具有較高的汽化潛熱，在汽化形成混合氣時吸收熱量，能有效降低進(jìn)氣溫度，提高充氣系數(shù)，在一定程度上還可以減少NOx的生成。

本研究在YC6A220C柴油機(jī)上進(jìn)行進(jìn)氣道汽化甲醇結(jié)合EGR技術(shù)的臺架試驗(yàn)，對比分析甲醇消耗率和EGR率對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響，選擇合適的EGR率和甲醇消耗率，在維持原機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性基本不變的基礎(chǔ)上，降低NOx和炭煙的排放。

1 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)采用YC6A220C柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。主要試驗(yàn)設(shè)備見表2。本試驗(yàn)從排氣管引出廢氣，廢氣冷卻后進(jìn)入進(jìn)氣道，在進(jìn)氣道中噴入甲醇，利用廢氣余熱將甲醇汽化，甲醇蒸汽隨著廢氣一起進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒。

表1 YC6A220C柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 主要測試設(shè)備

由于受原機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，本試驗(yàn)EGR系統(tǒng)從渦輪后引出廢氣(見圖1)。高溫廢氣引出后，利用柴油機(jī)的冷卻水冷卻至合適的溫度。試驗(yàn)表明，將氣體溫度控制在95 ℃左右可以保證試驗(yàn)中按最大噴醇量噴入的甲醇能被全部汽化。EGR率可以通過EGR閥及排氣背壓閥來調(diào)節(jié)。EGR率的計算公式[1]為

γEGR=1-φeo(CO2)/φee(CO2)。

式中：φee(CO2)為采用EGR時排氣管中CO2的體積分?jǐn)?shù)；φeo(CO2)為未采用EGR時排氣管中CO2體積分?jǐn)?shù)。無EGR時φee(CO2)=φeo(CO2)。

為了研究不同工況下進(jìn)氣道噴甲醇結(jié)合EGR技術(shù)對燃燒和排放的影響，用測功機(jī)改變柴油機(jī)的功率，選取一系列具有代表性和實(shí)用性的工況點(diǎn)進(jìn)行分析，負(fù)荷依次選取10%，25%，50%，75%，100%。

2 EGR與進(jìn)氣道噴甲醇相結(jié)合對柴油機(jī)性 能的影響分析

由于需要控制的變量很多，因此，本試驗(yàn)分別采用以下三種組合方式：1)同EGR率、同甲醇消耗率；2)不同EGR率、同甲醇消耗率；3)同EGR率、不同甲醇消耗率。通過這三種不同的組合方式來分析EGR與進(jìn)氣道噴甲醇相結(jié)合對柴油機(jī)性能的影響。

通過試驗(yàn)可知，在甲醇消耗率為65.5 g/(kW·h)、EGR率為25%時，NOx和炭煙排放能夠同時降低到最佳水平，因此本研究甲醇消耗率固定不變時取65.5 g/(kW·h)，EGR率固定不變時取25%。

2.1 同EGR率、同甲醇消耗率時的性能分析

圖2示出甲醇消耗率為65.5 g/(kW·h)、EGR率為25%時柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性的對比。由圖2可知，采用25%的EGR率時，與原機(jī)無EGR時相比，扭矩下降了4.7%～9.3%，燃油消耗率(僅指消耗的柴油，不包括噴入的甲醇)增加了2.2%～5.6%。這是由于柴油機(jī)應(yīng)用EGR技術(shù)后，引入的廢氣稀釋了進(jìn)入氣缸的新鮮空氣，提高了混合氣的熱容量，導(dǎo)致最高燃燒壓力降低[2]，進(jìn)而使柴油機(jī)的動力性下降。燃油消耗率增加的主要原因是由于EGR稀釋了進(jìn)氣中的O2，使氣缸內(nèi)的過量空氣系數(shù)減小，導(dǎo)致燃料不能夠完全燃燒，后燃增加，燃料利用率降低，燃油消耗率增加。

EGR回路噴入甲醇后，扭矩下降的幅度進(jìn)一步增大，燃油消耗率相比原機(jī)略有降低，與只采用EGR相比，扭矩降低了4.9%～5.8%。這是因?yàn)榧状嫉臒嶂档陀?號柴油，在每循環(huán)供油量沒增加的情況下，燃料放出的熱量減少，必然會導(dǎo)致柴油機(jī)動力性降低。由于噴入的甲醇代替了部分燃油，使得燃油消耗率也降低了9.4%～14.4%。

圖3示出柴油機(jī)在1 500 r/min時NOx的排放隨負(fù)荷的變化關(guān)系?？傮w來看，隨著負(fù)荷的增加，NOx排放大幅度增加。與原機(jī)相比，采用EGR技術(shù)后NOx排放降低了15.9%～31.2%。原因在于：一方面，這是熱容原理的具體應(yīng)用；另一方面，廢氣的引入稀釋了進(jìn)氣中的O2。兩個方面共同作用破壞了NOx高溫富氧的生成條件，因此使用EGR可以降低NOx的生成。而噴入甲醇后，NOx降低了29.9%～40.6%，這是由于甲醇汽化的過程中吸收了大量的熱，不但有利于降低氣缸內(nèi)的溫度，而且甲醇的燃燒速度快，縮短了混合氣在高溫下的滯留時間，減少了后燃，兩個因素都能夠抑制NOx的生成。NOx排放降低的效果比單純采用EGR效果更好。

圖4示出在1 500 r/min時炭煙的排放隨負(fù)荷的變化關(guān)系。由圖4可知，在只采用EGR技術(shù)的情況下，當(dāng)負(fù)荷小于31%時，炭煙略有降低，當(dāng)負(fù)荷超過31%時，炭煙的排放量超過原機(jī)。這說明只采用EGR技術(shù)難以降低炭煙的排放。EGR回路中噴入甲醇可以大幅度降低炭煙的排放[3-4]，與原機(jī)相比炭煙的排放量降低了15.7%～32.6%。這是因?yàn)椋?)甲醇的含氧量高達(dá)50%，能起到增氧的作用；2)本試驗(yàn)的甲醇是以氣態(tài)進(jìn)入氣缸參與燃燒，能夠與空氣形成較均勻的混合氣，使燃燒更加充分；3)由于甲醇不含C—C鍵，燃燒不生成炭煙顆粒，用甲醇取代柴油減少了炭煙顆粒的生成。

2.2 不同EGR率、同甲醇消耗率時的性能分析

由于試驗(yàn)中噴入的甲醇必須要借助廢氣循環(huán)才能夠到達(dá)氣缸，當(dāng)EGR率為5%時，廢氣能將噴醇量為65.5 g/(kW·h)的甲醇送入氣缸，因此本組試驗(yàn)取最低EGR率為5%。

圖5示出在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，甲醇消耗率為65.5 g/(kW·h)時不同負(fù)荷下EGR率對柴油機(jī)動力性的影響。由圖可以看出，隨著EGR率的增大，柴油機(jī)的動力性降低，在小負(fù)荷時下降趨勢比大負(fù)荷時明顯。在同一負(fù)荷下，EGR率越高，下降越明顯。這是因?yàn)楫?dāng)EGR率較低時，廢氣中噴入的甲醇導(dǎo)致進(jìn)氣含氧量仍然較高，占主導(dǎo)因素，EGR率的影響較小。當(dāng)EGR率增大后，大量的廢氣稀釋了進(jìn)入氣缸的新鮮空氣，提高了混合氣的熱容量，降低了最高燃燒壓力，使輸出扭矩減小，動力性降低。

圖6示出在1 500 r/min，甲醇消耗率為65.5 g/(kW·h)時不同負(fù)荷下EGR率對柴油機(jī)燃油消耗率的影響。由圖6可以看出，柴油機(jī)的燃油消耗率隨著EGR率的增大而升高，尤其當(dāng)EGR率超過30%時比較明顯。且負(fù)荷越大，升高的幅度也越大，在75%負(fù)荷時，最大升高幅度可達(dá)4.2%。原因是大的EGR率降低了進(jìn)氣空氣的氧濃度，使缸內(nèi)過量空氣系數(shù)減小，燃料不能完全燃燒，后燃增加，燃料利用率降低，增加了燃料消耗率。所以，有效燃油消耗率隨著EGR率的增大而不斷增加，EGR率越大，效果越明顯。

由圖7可知，在同一負(fù)荷時隨著EGR率的不斷增大，NOx的排放大幅度降低，且負(fù)荷越大，降低越明顯。EGR對降低發(fā)動機(jī)NOx排放的主要機(jī)理有以下幾個方面：1)引入的廢氣中含有大量的CO2和水蒸氣等三原子氣體分子，而三原子氣體的比熱容較高[5]，可以降低氣缸內(nèi)的燃燒溫度，抑制了NOx的生成；2)廢氣稀釋了進(jìn)氣中的氧氣，破壞了生成NOx的富氧條件；3)由于廢氣中含有大量的N2和CO2等接近惰性的氣體，起到了摻合新鮮進(jìn)氣的作用，減緩了燃燒速度；4)EGR氣體替代了進(jìn)入氣缸中的部分N2，使NOx排放大幅度減小。這些因素都能有效抑制NOx的生成。

圖8示出EGR率對柴油機(jī)炭煙排放的影響。由圖可知，當(dāng)EGR率在30%以下時，隨著EGR率的增加，炭煙會有小幅度的增加。當(dāng)EGR率超過30%時，炭煙隨著EGR率的增大而急劇增加，且負(fù)荷越大，炭煙增幅就越大。這是由于在低EGR率時，引入的廢氣較少，且噴入的甲醇起到了增氧的作用，抑制了炭煙的生成。而在高EGR率時，引入的大量廢氣使燃料在高溫條件下嚴(yán)重缺氧，燃燒惡化，從而使炭煙的生成量急劇增加[6]。

2.3 同EGR率、不同甲醇消耗率時的性能分析

圖9示出EGR率相同時甲醇消耗率對柴油機(jī)動力性的影響。由圖9可以看出，進(jìn)氣道噴入的甲醇量越多，柴油機(jī)輸出的扭矩下降的也越多，當(dāng)甲醇消耗率為100 g/(kW·h)時，相比較不噴入甲醇時，柴油機(jī)的最大扭矩由707.2 N·m下降到664.1 N·m，減少了6.1%。甲醇的加入使混合燃料的低熱值降低，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率有下降趨勢。又由于甲醇的沸點(diǎn)低，含氧量高，有利于柴油的擴(kuò)散[7]，進(jìn)而改善燃燒，使燃燒的持續(xù)期縮短。因此，隨著混合氣中甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，燃燒特性的改變使發(fā)動機(jī)的功率下降幅度慢慢變小。

圖10示出EGR率相同時甲醇消耗率對柴油機(jī)NOx排放的影響。由圖10可知，當(dāng)甲醇消耗率小于60 g/(kW·h)時，隨著甲醇消耗率的增大，NOx的排放量降低，降幅可達(dá)3.8%～21%。而當(dāng)甲醇消耗率超過60 g/(kW·h)時，隨著甲醇消耗率的增大，NOx排放反而呈上升的趨勢。當(dāng)噴入的甲醇量較少時，甲醇能降低NOx排放，這是由甲醇的理化特性決定的。首先，甲醇的汽化潛熱高，降低了混合氣的溫度，使整個燃燒的最高溫度降低，從而抑制了NOx的生成和排放；其次，甲醇的燃燒速度比柴油快，縮短了高溫滯留時間，減少了后燃，抑制了NOx的生成。而當(dāng)甲醇噴入量較多時，甲醇的高含氧量為NOx的生成提供了富氧環(huán)境，加劇了霧化過程中的“微爆效應(yīng)”[8-9]，促進(jìn)了NOx的生成。所以綜合來看，噴入甲醇可以降低NOx的排放，但是噴入甲醇的量應(yīng)該適中，過大反而會增加NOx的排放。

圖11示出EGR率相同時甲醇消耗率對柴油機(jī)炭煙排放的影響。由圖11可知，隨著甲醇消耗率的增加，炭煙的排放大幅度降低。與不噴入甲醇相比，當(dāng)甲醇消耗率為100 g/(kW·h)時，炭煙的降幅高達(dá)50.7%～59.7%。其原因是噴入的甲醇代替了部分柴油，由于甲醇含氧量高，混合燃料的空燃比也提高，且甲醇易于霧化，使得混合燃料在擴(kuò)散燃燒時過濃區(qū)減少，因而炭煙排放降低[10]，當(dāng)甲醇消耗率不超過100 g/(kW·h)時，噴入的甲醇量越多，則炭煙排放越低。

3 結(jié)論

a) EGR回路噴甲醇的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)同時降低NOx和炭煙的排放，但是會使柴油機(jī)的動力性下降4.7%～9.3%，在中、高負(fù)荷時柴油機(jī)燃油消耗率增加2.2%～5.6%；

b) 當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，EGR率在20%～35%，甲醇消耗率在50～70 g/(kW·h)范圍內(nèi)，既能保證柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性下降不超過6%，又能夠有效降低NOx和炭煙的排放；

c) 當(dāng)甲醇消耗率小于65.5 g/(kW·h)時，隨著噴醇量的增加，NOx和炭煙都有所降低；當(dāng)甲醇消耗率超過65.5 g/(kW·h)時，還能繼續(xù)降低炭煙，但是NOx的排放反而有上升的趨勢；

d) EGR率和噴醇量合理匹配，不但可以維持發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性基本不變，而且在一定程度上能改善發(fā)動機(jī)的燃燒過程，拓寬發(fā)動機(jī)的工作范圍，降低NOx和炭煙的排放。

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Application of Methanol Injection in EGR Intake Port on Diesel Engine

[編輯：潘麗麗]

HU Guang1，WANG Bing-hui1，CHEN Yong-fang2，SU Yong-heng1

(1.Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University，Ningbo 315211, China；

2.Ship Engineering College，Zhejiang International Maritime College，Zhoushan 316021，China)

The experiment of methanol injection in EGR intake port was conducted on YC6A220C diesel engine.Based on the original power of diesel engine, the influences of EGR rate and methanol consumption on power, fuel economy, NOxand soot emissions were researched.The results showed that single EGR strategy could reduce NOxemission obviously, but could hardly reduce soot emission at the same time.Especially, soot emission would increase rapidly with the increase of EGR rate or load when EGR rate was beyond 30%.The methanol addition guaranteed the simultaneous reduction of NOxand soot emissions.At the condition of maximum torque rotating speed of 1 500 r/min, 20%～35% EGR rate and 50～70 g/(kW·h) methanol specific consumption, NOxand soot emissions could decrease simultaneously.Moreover, the engine power and fuel consumption decreased slightly and the emissions were lower than that of 0# diesel.

diesel engine； EGR； power； fuel economy； nitrogen oxides； soot

2014-10-13；

2014-11-26

胡廣(1987—)，男，碩士，研究方向?yàn)楣?jié)約能源和環(huán)境保護(hù)；longxiaoxia2014@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.008

TK427

B

1001-2222(2015)02-0040-05