甲醇和EGR相結(jié)合對(duì)柴油機(jī)排放的影響*

胡　廣　王炳輝　蘇永衡　苗永超（寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院　浙江　寧波　315211）

·新能源·

甲醇和EGR相結(jié)合對(duì)柴油機(jī)排放的影響*

胡廣王炳輝蘇永衡苗永超
（寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院浙江寧波315211）

在YC6A220C柴油機(jī)上進(jìn)行了往外部EGR回路中噴入甲醇的試驗(yàn)，研究了不同的甲醇消耗率和不同的EGR率對(duì)柴油機(jī)排放的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：往EGR回路中噴入甲醇，能夠有效降低碳煙排放，但是會(huì)導(dǎo)致CO和HC增加。噴醇量太小，對(duì)于降低碳煙和NO x效果不明顯；噴醇量過(guò)大，能夠大幅度降低碳煙，但是會(huì)導(dǎo)致NO x排放增加。當(dāng)甲醇消耗率控制在65.5g/（kW·h）左右，EGR率在25%時(shí)，NO x和碳煙都能夠降低到一個(gè)最低水平。

柴油機(jī)EGR甲醇碳煙NO x

引言

柴油機(jī)由于其動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能好而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和機(jī)械交通運(yùn)輸業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。但由于柴油機(jī)的碳煙與顆粒以及NO x等尾氣排放比較嚴(yán)重而將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著環(huán)保問(wèn)題的重要性日益增加，能源危機(jī)不斷凸顯，排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，節(jié)能減排是世界各國(guó)需要迫切解決的問(wèn)題。EGR作為一種降低NO x的有效手段而有著廣泛的應(yīng)用前景；甲醇是一種清潔、高效的燃料，而且來(lái)源廣泛，價(jià)格相對(duì)柴油低廉，柴油機(jī)燃用含甲醇燃料可以大大降低碳煙的排放[1]。因此利用EGR技術(shù)和在柴油機(jī)中摻入甲醇成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)課題[2，3]。

由于柴油和甲醇互不相溶，本文構(gòu)想出在柴油機(jī)外部EGR回路中噴入甲醇，利用尾氣余熱將甲醇汽化，隨著尾氣一同進(jìn)入氣缸中，這樣既解決了柴油和甲醇不互溶的問(wèn)題，而且用部分甲醇代替柴油有利于節(jié)約成本，降低尾氣排放。本文在YC6A220C型柴油機(jī)上進(jìn)行了EGR回路噴甲醇的試驗(yàn)，對(duì)比分析了采用不同的EGR率以及不同的甲醇消耗率（為方便起見(jiàn)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)醇耗率）時(shí)對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響，并達(dá)到用甲醇替代部分柴油和降低尾氣排放的目的。

1　試驗(yàn)燃料的特點(diǎn)

本試驗(yàn)所采用的燃料為0#柴油和甲醇，其特性參數(shù)見(jiàn)表1。甲醇的分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含氧量為50%，因而甲醇參與混合燃燒在一定范圍內(nèi)可以降低碳煙和CO的排放。甲醇的熱值低，僅為柴油熱值的46%，理論上燃燒所需的空氣量是柴油的45.1%。甲醇分子式為CH3OH，里面含有一個(gè)羥基，是極性化合物，能與水互溶，親水性強(qiáng)，與柴油互不相溶[4，5]。由于本試驗(yàn)利用EGR回路中尾氣余熱將甲醇汽化，隨著尾氣一同進(jìn)入氣缸，避免了甲醇和柴油互不相溶的問(wèn)題。

表1甲醇和柴油理化特性參數(shù)

2　試驗(yàn)裝置及方案

本試驗(yàn)采用YC6A220C發(fā)動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)未做試調(diào)整，試驗(yàn)所需的主要測(cè)試設(shè)備規(guī)格見(jiàn)表3。EGR選用外部循環(huán)，方便向EGR回路中噴入甲醇。甲醇噴入量的多少可以用自主設(shè)計(jì)的甲醇泵調(diào)控。由于要保證回路噴入的甲醇全部被汽化，試驗(yàn)表明，當(dāng)回路的溫度控制在95℃左右可以保證試驗(yàn)中噴入的甲醇全部被汽化?；芈飞涎b有熱電偶溫度計(jì)，以方便檢測(cè)并調(diào)控溫度；排氣管接汽車(chē)排氣分析儀和煙度計(jì)，可以測(cè)量尾氣和碳煙含量；通過(guò)電子示功器來(lái)分析柴油機(jī)燃燒情況。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

表2YC6A220C柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

EGR率的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥和排氣背壓閥來(lái)調(diào)節(jié)，EGR率的計(jì)算公式[6]為：

式中，φee（CO2）為采用EGR時(shí)排氣管中CO2的體積分?jǐn)?shù)，%；φeo（CO2）為未采用EGR時(shí)排氣管中CO2體積分?jǐn)?shù)，%。無(wú)EGR時(shí)

對(duì)于所選取的每個(gè)EGR率，在保證柴油機(jī)動(dòng)力性不降低和所噴入的甲醇能夠被全部汽化的前提下，用盡量多的甲醇去取代柴油，以達(dá)到節(jié)油的目的。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)主要是從EGR率和負(fù)荷兩個(gè)方面來(lái)分析EGR率和醇耗率的大小對(duì)柴油機(jī)尾氣排放的影響。由于本試驗(yàn)需要控制的變量過(guò)多，因此只能選擇部分有代表性的工況點(diǎn)來(lái)說(shuō)明。通過(guò)試驗(yàn)可知，當(dāng)醇耗率為65.5g/（kW·h），EGR率為25%時(shí)，NO x和碳煙的排放都能降低到一個(gè)最低的水平。因此，本論文沒(méi)有特別說(shuō)明的醇耗率都取為65.5g/（kW·h），EGR率都取為25%，負(fù)荷取額定負(fù)荷的50%，即81kW，轉(zhuǎn)速取額定轉(zhuǎn)速n=1500r/min。

表3 主要測(cè)試設(shè)備

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖

3.1EGR率對(duì)排放的影響

3.1.1NO x的排放濃度

圖2為不同醇耗率和不同EGR率對(duì)柴油機(jī)NO x排放的影響。由圖可以看出，當(dāng)EGR率一定時(shí)，隨著醇耗率的增大NO x的排放量先減少后增加。且在同一EGR率下，使用較小的EGR時(shí)，NO x排放的末值大于初值；使用較大的EGR時(shí)，NO x排放的末值小于初值。這是由于當(dāng)噴醇量較小時(shí)，甲醇的汽化吸熱降低了氣缸內(nèi)的溫度，縮短了燃?xì)庠诟邷叵碌臏魰r(shí)間。而且引入的廢氣又稀釋了進(jìn)氣氧濃度，兩者的共同作用抑制了NO x的生成。當(dāng)噴醇量較大時(shí)，甲醇的作用占主導(dǎo)地位，大量甲醇的噴入使混合氣的含氧量增加，為NO x的生成提供了有利的富氧條件[7]促進(jìn)了NO x的生成。

圖2　 NO x排放對(duì)比

3.1.2碳煙的排放

圖3為不同醇耗率和不同EGR率對(duì)碳煙排放的影響。雖然EGR可以降低NO x的排放，但是會(huì)導(dǎo)致碳煙有所升高。尤其是當(dāng)EGR率超過(guò)40%時(shí)，碳煙急劇增加。從圖中很明顯可以看出噴入甲醇后碳煙能夠得到很好的改善，這是因?yàn)椋阂环矫婕状嫉腛/ C比例高，可以促進(jìn)燃燒，減少碳煙的排放[8]；另一方面，甲醇的汽化潛熱高，能夠降低氣缸內(nèi)的溫度。而且，甲醇的引入會(huì)使甲醇和柴油混合燃燒過(guò)程“微中的爆效應(yīng)”[9]更劇烈，使燃燒更加充分，減少了碳煙的形成。

圖3　 碳煙排放對(duì)比

3.1.3HC和CO的排放

圖4、圖5分別為HC和CO隨著醇耗率和EGR率的變化關(guān)系。兩圖表明：當(dāng)柴油機(jī)的負(fù)荷不變時(shí)，HC和CO的排放量隨著醇耗率和EGR率的增大而增加。且當(dāng)醇耗率和EGR率較大時(shí)HC增幅也較大。HC和CO的產(chǎn)生是由于燃料不完全燃燒產(chǎn)生的，由于引入的EGR稀釋了進(jìn)氣氧濃度，導(dǎo)致燃燒室中局部缺氧地區(qū)增加，為HC和CO的生成提供了條件。又由于噴入的甲醇容易蒸發(fā)，導(dǎo)致油滴外圍過(guò)稀區(qū)混合氣量的增加，進(jìn)而導(dǎo)致HC和CO的排放增加。綜上可以說(shuō)明，EGR的使用和噴入的甲醇都會(huì)增加HC和CO的排放，其原因不僅和噴醇量的大小及EGR率的大小有關(guān)，還與混合氣的均勻性等多種因素有關(guān)[10]。

圖4　 HC排放對(duì)比

圖5　 CO排放對(duì)比

3.2負(fù)荷對(duì)排放的影響

3.2.1NO x的排放濃度

圖6為NO x的排放量隨著醇耗率和負(fù)荷的變化關(guān)系。由圖可知，在相同的醇耗率下，負(fù)荷越大，NO x排放濃度越高；在相同的負(fù)荷下，NO x隨著醇耗率的增加先減少后增加。原因在于：醇耗率小時(shí)，甲醇汽化吸熱，降低了氣缸內(nèi)的溫度；而且又有25%的廢氣循環(huán)，稀釋了進(jìn)氣氧濃度，都能抑制NO x的生成。當(dāng)醇耗率超過(guò)60 g/（kW·h）時(shí)，甲醇的富氧作用就比較明顯[11]。且負(fù)荷越大，燃燒室內(nèi)最高溫度也越高，因此，在大負(fù)荷與大的醇耗率共同作用下，NO x會(huì)急劇增加。

圖6　 NO x排放對(duì)比

3.2.2煙度的排放

圖7為負(fù)荷和醇耗率的大小對(duì)碳煙排放量的影響。從圖可以看出，高負(fù)荷比低負(fù)荷時(shí)的碳煙排放大，這是由于高負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)需要提供更多的動(dòng)能，燃燒室燃燒強(qiáng)度更大，產(chǎn)生的溫度更高。并且又由于25%EGR的影響，過(guò)量空氣系數(shù)相對(duì)較小，導(dǎo)致熱裂解反應(yīng)速率上升[12，13]，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生較多的碳煙。當(dāng)噴入甲醇后，部分甲醇替代了柴油，使燃料總的含氧量增加，碳?xì)浔冉档?，從而在一定程度上制約了碳煙的生成。

圖7　 碳煙排放對(duì)比

3.2.3HC和CO的排放濃度

圖8、圖9為柴油機(jī)在1500r/min、EGR率為25%時(shí)HC和CO排放量隨著醇耗率和負(fù)荷的變化情況。由圖可以看出，噴入甲醇后柴油機(jī)的HC和CO排放量都有所增加，且HC在小負(fù)荷時(shí)的增量比大負(fù)荷時(shí)明顯。當(dāng)負(fù)荷保持不變時(shí)，甲醇的高汽化潛熱和低十六烷值使缸內(nèi)溫度降低，導(dǎo)致燃料的著火性變差[14]。而且又由于甲醇有很好的揮發(fā)性，增大了使燃料噴注外緣熄火區(qū)，兩者的共同作用使HC和CO的排放量增加。尤其是在小負(fù)荷時(shí)，過(guò)稀和卒熄的作用更加明顯[15]，使HC排放量更大。

圖8　 HC排放對(duì)比

圖9　 CO排放對(duì)比

4　結(jié)論

1）進(jìn)氣道噴甲醇在一定程度上能夠緩解柴油機(jī)燃燒室不理想燃燒，減少碳煙排放。

2）進(jìn)氣道噴甲醇與EGR技術(shù)相結(jié)合，當(dāng)噴醇量小于65.5g/（kW·h）時(shí)，可以使碳煙和NOx的排放降低到一個(gè)最低水平，但是會(huì)增加CO和HC的排放。這說(shuō)明噴入甲醇后，尾氣處理要更加嚴(yán)格。

3）隨著醇耗率的增大，負(fù)荷特性煙度逐漸降低，NO x在小的醇耗率時(shí)有所下降，大的醇耗率時(shí)有所升高；HC排放在所有負(fù)荷都增加，小負(fù)荷時(shí)增加的幅度更大。

1Curran H J，F(xiàn)isherEM，Glaude PA，etal.Detailed chemical kinetic modeling of diesel combustion with oxygenated fuels[C].SAEPaper，2001-01-0653

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3黃勇成，周龍保，趙慧，等.缸內(nèi)直噴軸向分層燃燒系統(tǒng)燃用醇類(lèi)燃料的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，18（1）：63～67

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7鄢嵐，任自中.工質(zhì)加濕對(duì)柴油機(jī)NOx排放的影響[J].柴油機(jī)，2007（2）：32～35

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10陳鍇，王炳輝，龐紅磊.柴油-甲醇-水復(fù)合燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究[J].車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2011（4）：1～5

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14 Yao G Z，Yap F F，Chen G，et al.MR Damper and its application for semi-active control of vehicle suspension system.Mechatronics，2002（12）：963～973

15楊向東，陸克久.甲醇柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)排放特性影響的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2013，42（5）:67～70

A Combination ofMethanoland EGR Effectson Diesel Em issions

Hu Guang,W ang Binghui,Su Yongheng,M iao Yongchao
Ningbo University（Ningbo，Zhejiang，315211，China）

Experimentalmethanol injection atintake portwith EGR inmodel YC6A220C dieselenginewas carried out，influences of differentmethanol consumption rates and different EGR rates on engine power characteristicswere studied.The resultsshow thatsootemissions can be effectively reduced whenmethanol is injected into the intake port，but itwill lead to an increase of CO and HC emission.When the spray amountofalcohol is little，reducing sootand NO x isnotobvious;when the amountofmethanol isexcessive, it can significantly reduce sootemissions，but leads to the increase of NO x emissions.When themethanol consumption ratewas controlled at65.5g/（kW·h）about,EGR rate of 25%，NO x and soot can be reduced toan optimum level.

Dieselengine，Exhaustgas recirculation，Methanol，Soot，NO x

TK427

A

2095-8234（2014）06-0072-05

寧波市基金項(xiàng)目（2012A610619）；浙江省高職高專(zhuān)院校專(zhuān)業(yè)帶頭人專(zhuān)業(yè)領(lǐng)軍項(xiàng)目（1j2013201）

胡廣（1987-），男，碩士研究生，主要從事節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的研究工作。

（2014-05-22）