柴油機(jī)進(jìn)氣預(yù)混甲醇燃燒特性的試驗(yàn)研究

杜家益，陸永佳，張偉勛，張登攀，袁銀男，徐 毅

(1. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 南通大學(xué) 機(jī)械與工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；3. 常柴股份有限公司 技術(shù)中心，江蘇 常州 213002)

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柴油機(jī)進(jìn)氣預(yù)混甲醇燃燒特性的試驗(yàn)研究

杜家益1，陸永佳1，張偉勛1，張登攀1，袁銀男2，徐 毅3

(1. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 南通大學(xué) 機(jī)械與工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；3. 常柴股份有限公司 技術(shù)中心，江蘇 常州 213002)

對一臺(tái)渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)進(jìn)氣預(yù)混甲醇雙燃料燃燒。利用MATLAB軟件編寫了基于實(shí)測氣缸壓力的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)放熱規(guī)律計(jì)算程序，并對柴油機(jī)進(jìn)氣預(yù)混甲醇進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在低轉(zhuǎn)速全負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷時(shí)，隨著甲醇摻燒比的增加，柴油滯燃期延長，預(yù)混燃燒比例增大，放熱率峰值增高，燃燒持續(xù)期縮短；在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)，較大的甲醇摻燒比會(huì)造成放熱始點(diǎn)的大幅提前，放熱率呈現(xiàn)多個(gè)峰值，出現(xiàn)了壓力波動(dòng)；適當(dāng)推遲供油可以推遲放熱始點(diǎn)并降低放熱率峰值和最大壓力升高率。

車輛工程；柴油機(jī)；甲醇；放熱規(guī)律；燃燒特性

近年來，隨著節(jié)能減排要求的日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)清潔代用燃料研究得到重視。與其他代用燃料相比，甲醇具有來源豐富、成本低、排放低等優(yōu)點(diǎn)[1]。將甲醇作為代用燃料是解決我國石油資源短缺的一條有效途徑。為了實(shí)現(xiàn)甲醇在柴油機(jī)上的燃燒，可采用的方法主要有乳化法、助燃法、直接壓燃法、柴油引燃法等[2-5]。

與柴油相比，甲醇汽化潛熱大，十六烷值低，燃燒速度快[6]，摻燒甲醇后柴油機(jī)燃燒過程有很大改變，因此有必要對甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性進(jìn)行分析。目前針對甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)放熱規(guī)律的計(jì)算大多采用通用的柴油機(jī)計(jì)算程序，不能準(zhǔn)確反映甲醇/柴油雙燃料燃燒的放熱規(guī)律。因此，筆者針對柴油引燃進(jìn)氣預(yù)混甲醇的燃燒方式，編寫了能反映其放熱規(guī)律的計(jì)算程序，分析了進(jìn)氣預(yù)混甲醇柴油機(jī)的燃燒特性，為甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用提供了指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

筆者采用進(jìn)氣預(yù)混甲醇的摻燒方式[7]，對常柴4B26渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)行了改造，在進(jìn)氣歧管靠近進(jìn)氣門處安裝4個(gè)甲醇噴嘴，增設(shè)甲醇供給系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的改造見圖1。柴油機(jī)主要參數(shù)如表1，試驗(yàn)臺(tái)架布置如圖2。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的改造

表1 4B26柴油機(jī)性能參數(shù)

圖2 臺(tái)架布置結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)用儀器主要有：AVL INDIMODUL XTENSION燃燒分析儀，上海同圓TOCEIL氣體流量計(jì)，杭州奕科的HAM03醇耗儀。

1.2 試驗(yàn)方法

通過上位機(jī)的標(biāo)定軟件，調(diào)整噴射脈寬控制甲醇噴射量，柴油供給仍采用原柴油機(jī)供油系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和引燃柴油量由臺(tái)架控制柜和柴油機(jī)全程調(diào)速器自動(dòng)控制，試驗(yàn)采用10 °CA靜態(tài)供油提前角。甲醇摻燒比φM由式(1)確定：

(1)

式中：BM為甲醇小時(shí)耗油量，kg/h；BD為柴油小時(shí)耗油量，kg/h。

2 放熱規(guī)律的計(jì)算及對比

計(jì)算過程對缸內(nèi)熱力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了以下的簡化與假設(shè)：缸內(nèi)工質(zhì)為理想氣體，不計(jì)漏氣損失，缸內(nèi)氣體溫度、壓力、各物質(zhì)濃度在缸內(nèi)均勻分布，忽略中間化學(xué)反應(yīng)。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可得：

(2)

式中：Qb為瞬時(shí)放熱量，kJ；P為缸壓，MPa；V為氣缸瞬時(shí)工作容積，m3；U為缸內(nèi)工質(zhì)總內(nèi)能，kJ；φ為曲軸轉(zhuǎn)角，°CA；Qw為缸內(nèi)工質(zhì)與燃燒室壁面的傳熱量，kJ。

選用朱方君傳熱公式[8]進(jìn)行計(jì)算，規(guī)定其中工質(zhì)對燃燒空間壁面?zhèn)鳠釣檎?，壁面對工質(zhì)傳熱為負(fù)。

將缸內(nèi)工質(zhì)各組分物質(zhì)的量Mi的計(jì)算分為燃燒開始之前和燃燒開始后兩個(gè)階段。燃燒開始前的工質(zhì)包括殘余廢氣、新鮮空氣和甲醇蒸氣等3部分，i分別表示水蒸氣、CO2、N2、O2和甲醇蒸氣。廢氣中各成分物質(zhì)的量由殘余廢氣系數(shù)、充氣量和廢氣中各成分比例算得。

燃燒過程中新生成的水蒸氣物質(zhì)的量(kmol)：

(3)

式中：x為累計(jì)放熱百分比；gf1，gf2分別為柴油和甲醇的循環(huán)噴油量，kg；H1，H2分別是柴油和甲醇中H元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別取0.126和0.125。

燃燒過程新生成的CO2物質(zhì)的量(kmol)：

(4)

式中：C1，C2分別為柴油和甲醇中C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

燃燒過程消耗的O2物質(zhì)的量(kmol)：

(5)

式中：O1，O2分別為柴油和甲醇中O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

燃燒過程中消耗的甲醇的物質(zhì)的量(kmol)：

(6)

根據(jù)以上方程可以計(jì)算出瞬時(shí)缸內(nèi)工質(zhì)各成分的物質(zhì)的量Mi，而瞬時(shí)缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)能增量可由式(7)計(jì)算：

(7)

式中：cvi為缸內(nèi)工質(zhì)各組分瞬時(shí)定容摩爾熱容，可以看作是溫度的函數(shù)，J/(mol·K)；T為瞬時(shí)缸內(nèi)工質(zhì)平均溫度，由理想氣體狀態(tài)方程算得，K。

累計(jì)放熱率可用式(8)求得：

(8)

式中：Hu1，Hu2分別為柴油和甲醇的低熱值，J/g。

結(jié)合上述微分方程，利用MATLAB編寫了甲醇/柴油雙燃料燃燒放熱規(guī)律計(jì)算程序。把示功圖、甲醇和柴油各自油耗、進(jìn)氣量作為輸入量，用式(8)作為收斂條件，對式(2)～式(7)進(jìn)行迭代計(jì)算，即可得到甲醇/柴油雙燃料燃燒的放熱規(guī)律。

由圖3可以看出，與傳統(tǒng)算法相比，改進(jìn)后算法計(jì)算所得甲醇/柴油雙燃料放熱率峰值增大，放熱始點(diǎn)稍微推遲。另外，兩種方法對溫度的計(jì)算表明：與傳統(tǒng)算法相比，改進(jìn)后計(jì)算方法算得燃燒前缸內(nèi)溫度稍低，燃燒前期溫度基本一致，燃燒后期和最高燃燒溫度都較低。改進(jìn)后計(jì)算結(jié)果更符合甲醇十六烷值低、燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤旌推瘽摕岽蟮奶攸c(diǎn)[6]。出現(xiàn)上述情況是由于在同樣的工況下，甲醇/柴油雙燃料工作時(shí)缸內(nèi)工質(zhì)的摩爾數(shù)比純柴油時(shí)要大，燃燒產(chǎn)物組成和比熱容也發(fā)生了變化，這些在柴油機(jī)模型中并沒有考慮到，產(chǎn)生了誤差。

圖3 放熱規(guī)律計(jì)算結(jié)果的比較

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 低轉(zhuǎn)速工況

圖4為轉(zhuǎn)速在1 600 r/min，平均有效壓力分別為0.284，0.601 2 MPa時(shí)甲醇摻燒比對放熱規(guī)律的影響。

圖4 1 600 r/min時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱規(guī)律

摻燒甲醇后放熱始點(diǎn)推遲，滯燃期延長，隨著甲醇摻燒比的增加滯燃期進(jìn)一步延長。這是由于甲醇汽化潛熱較大，降低了燃燒前缸內(nèi)溫度[9-10]，甲醇十六烷值小，難以自燃(自燃溫度為470 ℃)。隨著甲醇摻燒比的增加，放熱率峰值升高，這是因?yàn)橐环矫鏈计诘难娱L造成在滯燃期內(nèi)形成的預(yù)混燃料增多，預(yù)混燃燒期燃燒速度加快；另一方面燃燒前甲醇已經(jīng)形成了均勻混合氣，被柴油引燃后，甲醇的燃燒速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于柴油。

甲醇摻燒比較低時(shí)(低于45%)，放熱率曲線有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，這是擴(kuò)散燃燒期放熱的一個(gè)波動(dòng)點(diǎn)，摻燒甲醇后，擴(kuò)散燃燒期有所延后。這是因?yàn)闇计谘娱L，預(yù)混燃燒期參與燃燒的燃料量增多，擴(kuò)散燃燒期放出的熱量所占比例減少。預(yù)混燃燒放熱比例的增大使得放熱率曲線的面心更靠近上止點(diǎn)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。隨著甲醇摻燒比的進(jìn)一步增加〔如圖4(b)中的φM=50%，φM=55%〕，擴(kuò)散燃燒的比例進(jìn)一步減小，拐點(diǎn)不明顯。另外，雖然隨著甲醇摻燒比的增加，放熱基本結(jié)束在同樣的曲軸轉(zhuǎn)角，燃燒持續(xù)期縮短，這是因?yàn)榧状己趿扛?50%)，具有自供氧效應(yīng)，加快了擴(kuò)散燃燒期的燃燒速度。

圖5為在1 800 r/min，Pme=0.751 MPa時(shí)供油提前角對甲醇/柴油雙燃料模式缸內(nèi)壓力和壓力升高率以及放熱規(guī)律的影響。

圖5 供油提前角的影響

由圖5可以看出，與10 °CA BTDC供油提前角相比，供油提前角為12 °CA BTDC時(shí)放熱始點(diǎn)和放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，燃燒持續(xù)期變化不大，放熱率峰值較大，缸內(nèi)最大壓力和最大壓力升高率較高。這是因?yàn)楣┯洼^早時(shí)，引燃柴油噴入氣缸的時(shí)刻提前，較早的引燃了甲醇/空氣混合氣，但由于噴油時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力較低，滯燃期延長，在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣較多，點(diǎn)火能量較大，開始燃燒后燃燒速度較快，缸內(nèi)壓力和壓力升高率升高，另一方面供油較早時(shí)，燃燒在上止點(diǎn)前開始，此時(shí)活塞還在上行，會(huì)造成缸內(nèi)壓力和壓力升高率過大。

為保證較好的功率和燃油經(jīng)濟(jì)性，一般希望燃燒始點(diǎn)在上止點(diǎn)前5 ～10 °CA之間[11]，以保證燃燒在上止點(diǎn)附近完成。從這一點(diǎn)來說，選用較大的供油提前角較好。但從圖5(a)可見，柴油供油提前角為12 °CA BTDC時(shí)，最大壓力升高率為1.1 MPa/°CA，比供油提前角為10 °CA BTDC時(shí)高出0.33 MPa/°CA，導(dǎo)致在試驗(yàn)中采用12 °CA BTDC供油提前角時(shí)，易造成柴油機(jī)工作粗暴，發(fā)生敲缸現(xiàn)象。所以柴油機(jī)采用進(jìn)氣預(yù)混甲醇工作在雙燃料模式時(shí)，應(yīng)稍微推遲噴油。但是如果供油提前角過小，有可能出現(xiàn)著火過遲，燃料燃燒放出的熱量不能有效利用，使雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降。筆者采用10 °CA BTDC供油提前角，可以滿足在發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)生工作粗暴和發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的前提下盡可能多的摻燒甲醇。

3.2 高轉(zhuǎn)速工況

圖6是轉(zhuǎn)速在2 800 r/min，平均有效壓力分別為0.363 6和0.683 6 MPa時(shí)甲醇摻燒比對雙燃料模式下放熱規(guī)律的影響。

圖6 2 800 r/min時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱律

較低負(fù)荷(pme=0.363 6 MPa)時(shí)，隨著甲醇摻燒比的增加，滯燃期增加，放熱率峰值升高。但在較高負(fù)荷(pme=0.683 6 MPa)、甲醇摻燒比高于28.6%時(shí)燃燒始點(diǎn)大幅提前，燃燒持續(xù)期增加。說明有部分甲醇在被柴油引燃之前發(fā)生了自燃。這可能是因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速高負(fù)荷下，接近壓縮終點(diǎn)時(shí)的溫度(1 230 K)和氣缸壓力都很大，甲醇的氧化速率達(dá)到了自燃條件。同時(shí)可以看到此時(shí)放熱規(guī)律波動(dòng)較大，在4 °CA BTDC出現(xiàn)了第1個(gè)峰值，此時(shí)正處于活塞上升時(shí)期，甲醇的急劇燃燒造成缸內(nèi)壓力波動(dòng)，易發(fā)生柴油機(jī)工作粗暴。甲醇摻燒比為7.2%時(shí)，甲醇濃度較低，沒有發(fā)生燃燒始點(diǎn)大幅提前的現(xiàn)象?？梢姼咿D(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)，不宜大量摻燒甲醇，甲醇摻燒比應(yīng)控制在25%以內(nèi)。

4 結(jié) 論

筆者實(shí)現(xiàn)了柴油引燃預(yù)混甲醇的燃燒方式，基于基本組分法編寫了甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)放熱規(guī)律計(jì)算程序，對進(jìn)氣預(yù)混甲醇柴油機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1)低轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著甲醇摻燒比的增加，柴油的滯燃期延長，預(yù)混燃燒放熱比例增大，擴(kuò)散燃燒比例減小，燃燒持續(xù)期縮短，放熱率峰值增大。

2)高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)，甲醇摻燒比對進(jìn)氣預(yù)混甲醇柴油機(jī)燃燒特性的影響與低轉(zhuǎn)速時(shí)基本一致，但在高轉(zhuǎn)速較高負(fù)荷、甲醇摻燒比高于28%時(shí)，甲醇出現(xiàn)提前燃燒，放熱規(guī)律呈現(xiàn)多個(gè)峰值，燃燒不穩(wěn)定，燃燒持續(xù)期增大，此時(shí)甲醇摻燒比宜控制在25%以下。

3)雙燃料模式時(shí)，與10 °CA BTDC供油提前角相比，供油提前角為12 °CA BTDC時(shí)放熱始點(diǎn)和放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，放熱率峰值增大，缸內(nèi)最大壓力和最大壓力升高率過高。所以宜推遲噴油，選用10 °CA BTDC的供油較為合適。

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Combustion Characteristics Analysis on Pre-mixed Methanol Through Intake Manifold of Diesel Engine

Du Jiayi1, Lu Yongjia1, Zhang Weixun1, Zhang Dengpan1, Yuan Yinnan2, Xu Yi3

(1. School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, Jiangsu, China; 3. Enterprise Technical Center, Changchai Co. Ltd., Changzhou 213002, Jiangsu, China)

A turbocharged diesel engine was altered to a duel fuel engine with intake pre-mixed methanol. Heat release rate calculation program of duel fuel engine based on cylinder pressure was written by Matlab. And test was conducted to study the duel fuel engine. The results show that while the methanol mixing ratio increases, ignition delay period of mixing fuel, the ratio of pre-mixed combustion and the peak of heat release rate increase, but the combustion duration decreases at all loads of low speed and middle and low loads of high speed. At high load of high speed, the timing of combustion is advanced significantly and the heat release rate curve shows multiple peaks when the methanol mixing ratio is high. The heat release time can be delayed; the peak of heat release rate and the maximum rate of pressure rise can be decreased by delaying fuel injection advance angle.

vehicle engineering; diesel engine; methanol; heat release rate; combustion characteristics

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.33

2013-03-02；

2014-01-16

江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(08KJA47001)；江蘇大學(xué)高級專業(yè)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(12JDG040)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)

杜家益(1968—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，副教授，主要從事動(dòng)力機(jī)械新能源技術(shù)方面的研究。E-mail: jydu@ujs.edu.cn

U464;TK429

A

1674-0696(2015)03-167-04