進氣道噴甲醇對柴油機性能影響的試驗分析*

王炳輝　陳永芳　胡　廣（-寧波大學海運學院浙江寧波35-浙江國際海運職業(yè)技術學院船舶工程學院）

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進氣道噴甲醇對柴油機性能影響的試驗分析*

王炳輝1陳永芳2胡廣1
（1-寧波大學海運學院浙江寧波3152112-浙江國際海運職業(yè)技術學院船舶工程學院）

在增壓中冷柴油機上進行外部循環(huán)EGR回路噴甲醇的試驗研究，研究了噴入不同的甲醇量對柴油機性能的影響。結(jié)果表明，EGR回路噴入的甲醇量越多，負荷特性的煙度會逐步降低，NOx在較小的噴醇量下會有所下降，在較大的噴醇量下有所升高；HC排放在所有負荷都會增加，小負荷時增幅更大；缸壓峰值和放熱率峰值也會隨著噴醇量的增加而增加，峰值對應的曲軸轉(zhuǎn)角有后移的趨勢，燃燒起始點滯后。

EGR甲醇碳煙NOx缸壓放熱率

引言

隨著環(huán)保問題的重要性日益增加以及能源危機的不斷凸顯，排放法規(guī)的日益嚴格，節(jié)能減排是世界各國需要迫切解決的問題。EGR能有效降低NOx的排放；甲醇是一種清潔、高效的燃料，而且來源廣泛，價格相對柴油低廉，柴油機燃用含甲醇燃料可以大大降低碳煙的排放。因此利用EGR技術以及柴油甲醇混燃成為近年來研究的熱點課題。

本論文在YC6A220C柴油機上進行臺架實驗，選用外部循環(huán)EGR。甲醇通過可調(diào)甲醇泵噴入到EGR回路中，由于甲醇的沸點為64.7℃，可利用高溫尾氣余熱足以將甲醇汽化送入氣缸中。在保持柴油機動力性和經(jīng)濟性基本不變的條件下，來降低NOx和碳煙的排放。

1　試驗裝置及方法

試驗采用YC6A220C柴油機，其主要技術參數(shù)見表1。臺架試驗所用的主要設備見表2。本試驗采用從排氣管引出廢氣，經(jīng)合適冷卻后進入進氣道，在進氣道中噴入甲醇，利用廢氣余熱將甲醇汽化，甲醇蒸汽隨著廢氣一起進入氣缸內(nèi)燃燒。

表1　YC6A220C柴油機主要技術參數(shù)

表2　主要測試設備

由于受原機結(jié)構的限制，本試驗的EGR系統(tǒng)從渦輪增壓后引出廢氣，如圖1所示。高溫廢氣引出后，利用柴油機的冷卻水冷卻至合適的溫度。試驗表明，將冷卻的氣體溫度控制在95℃左右可以保證試驗中最大的噴醇量噴入的甲醇能全部被汽化。EGR的大小可以通過EGR閥及排氣背壓閥來調(diào)節(jié)。EGR率的計算公式［1］為：

式中：φ1為有EGR時進氣總管中CO2濃度；φ2為無EGR時環(huán)境中CO2濃度。

圖1　試驗裝置示意圖

為了研究不同工況下進氣道噴甲醇結(jié)合EGR技術對燃燒和排放的影響，用測功機改變柴油機的功率，選取一系列具有代表性和實用性的工況點來分析，負荷依次選取10%，25%，50%，75%，100%。

2　進氣道噴甲醇對柴油機性能的影響分析

通過試驗可知，在醇耗率為65.5 g/（kW·h）和EGR率為25%時NOx和炭煙排放都能夠同時降低到一個最佳水平。因此本論文的同醇耗率（為了方便起見，下文中的甲醇消耗率簡稱醇耗率）取65.5 g/（kW·h），同EGR率取25%。

2.1進氣道噴甲醇對NOx排放的影響

圖2為EGR率相同時，在三種不同轉(zhuǎn)速下不同醇耗率對柴油機NOx排放的影響。醇耗率為0時由于采用了25%EGR，因而負荷沒有使用100%負荷，選用了86%和90%兩個負荷點。由圖可知，當醇耗率小于60 g/（kW·h）時，隨著醇耗率的增大，NOx的排放量降低，降幅可達3.8%～21%。而當醇耗率超過60g/（kW·h）時，隨著醇耗率的增大，NOx反而呈上升的趨勢。這是因為當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。而當噴入量較多時，甲醇的高含氧量為NOx的生成提供了大量的富氧環(huán)境，加劇了霧化過程中的“微爆效應”［2-3］，促進了NOx的生成。所以綜合起來看，甲醇對NOx的排放有兩面性的作用，噴入適量的甲醇可以降低NOx的排放，但是噴入過量的甲醇，反而會增加NOx的排放。

2.2進氣道噴甲醇對碳煙排放的影響

圖2　不同醇耗率時NOx的排放

圖3為EGR率相同時，在三種不同的轉(zhuǎn)速下，不同醇耗率對柴油機碳煙排放的影響。由圖可知，同一負荷下隨著醇耗率的增加，碳煙的排放大幅度降低。與不噴入甲醇相比，此處選擇25%負荷、50%負荷和75%負荷來分析。轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時，相比較醇耗率為0時，當負荷為25%時，四種醇耗率40 g/（kW·h）、60 g/（kW·h）、80 g/（kW·h）、100 g/（kW·h）能使碳煙分別降低24.2%、27.3%、33.3%和45.5%；當負荷為50%時，以上四種醇耗率能使碳煙分別降低25%、37.5%、45.8%和54.2%；當負荷為75%時，以上四種醇耗率能使碳煙分別降低12.5%、25%、45.8%和60.4%；轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時，相比較醇耗率為0時，當負荷為25%時，四種醇耗率40 g/（kW·h）、60 g/（kW·h）、80g/（kW·h）、100g/（kW·h）能使碳煙分別降低13.6%、37.3%、47.5%和57.6%；當負荷為50%時，以上四種醇耗率能使碳煙分別降低8.9%、32.8%、47.4%和59.7%；當負荷為75%時，以上四種醇耗率能使碳煙分別降低11%、31.5%、41.1%和50.7%；轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，相比較醇耗率為0時，當負荷為25%時，四種醇耗率40 g/（kW·h）、60 g/（kW·h）、80 g/（kW·h）、100 g/（kW·h）能使碳煙分別降低16.7%、33.3%、37%和42.6%；當負荷為50%時，以上四種醇耗率能使碳煙分別降低8.9%、32.8%、47.4%和59.7%；當負荷為75%時，以上四種醇耗率能使碳煙分別降低11.6%、32.5%、39%和45.5%。低轉(zhuǎn)速時噴入的甲醇量越多、負荷越大時，碳煙排放降低更明顯。

圖3　不同醇耗率時的碳煙排放

碳煙的生成條件是高溫低氧［4］，甲醇的加入能夠明顯降低碳煙排放，主要有以下兩個方面：一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，使得混合燃料在擴散燃燒時過濃區(qū)減少，因而能降低碳煙排放。而且噴入的甲醇越多，越有利于柴油中的高分子化合物與氧的接觸，從而降低了燃料高溫缺氧的熱裂解幾率；二是甲醇在參與燃燒過程中會生成大量的-OH自由基，-OH自由基能夠?qū)σ呀?jīng)生成的碳煙有很強的氧化作用，使碳煙進一步減少［5］。

2.3進氣道噴甲醇對CO和HC排放的影響

圖4為柴油機在1 600 r/min時不同負荷對柴油機HC排放影響關系的特性曲線。由圖可知，隨著醇耗率的增加，HC排放也隨之增加，并且負荷越大，HC增加的幅度越明顯。以醇耗率60 g/（kW·h）為例，50%的負荷HC的排放量相比較25%的負荷增加了16.7%，75%的負荷HC的排放量相比較25%的負荷增加了66.7%，在醇耗率為100 g/（kW·h）時這種增加的幅度更加明顯。這說明單純地靠增加甲醇的噴入量并不能減少柴油機HC的排放。甲醇具有較高的汽化潛熱以及較低的十六烷值會導致缸內(nèi)溫度下降，燃燒狀況變差［6］；而且又由于甲醇有很好的揮發(fā)性，增大了燃料噴注外緣熄火區(qū)，燃料燃燒不完全，兩方面共同作用都會使HC的排放量增加［7］。

圖4　HC排放對比

圖5為柴油機在1 600 r/min時CO排放量隨著醇耗率和負荷的變化情況?？梢钥闯?，噴入甲醇比較未噴入甲醇之前，柴油機的CO排放量明顯增加，在中、小負荷下，隨著醇耗率的增加，CO的排放增幅較大，在大負荷下，CO的增幅較小。原因在于低負荷時，甲醇的噴入會導致缸內(nèi)溫度降低，使柴油/甲醇的混合氣局部出現(xiàn)過濃現(xiàn)象，使熄火區(qū)增大，而且甲醇的含氧優(yōu)勢不能充分發(fā)揮出來，燃燒不完全，這些因素都會導致CO排放增加。CO是HC燃燒過程中的中間產(chǎn)物［8-9］，在高負荷時空燃比小，甲醇較高的含氧量彌補了高汽化潛熱的不足，改善了燃燒狀況，使CO排放降低。

圖5　CO排放對比

2.4進氣道噴甲醇對缸壓的影響

為了研究EGR率一定時，不同醇耗率對燃燒時缸內(nèi)壓力的影響，本試驗選用了五組不同的醇耗率，在低、中、高轉(zhuǎn)速時得到了圖6所示的缸壓曲線。雖然EGR能稀釋進氣氧濃度，推遲燃燒進程，但是當噴入的甲醇量大時，此時甲醇的作用效果超過了25%EGR的作用效果，噴入的甲醇占主要影響因素。由圖6可以看出，轉(zhuǎn)速越大，同一醇耗率所對應的缸內(nèi)壓力峰值也隨之變大，這是由于大轉(zhuǎn)速時，進入的氣流較快，更容易促使甲醇蒸汽、柴油以及空氣的混合，使燃燒更加充分；在轉(zhuǎn)速不變時，醇耗率越大，壓力峰值也越大，且都大于未噴入甲醇時的缸壓峰值，醇耗率越大，燃燒時甲醇的占比也越多［10-11］，甲醇比柴油的燃燒速度快，持續(xù)期短，縮短了放熱時間，導致缸壓升高。

圖6　不同醇耗率對缸壓的影響

2.5進氣道噴甲醇對放熱率的影響

圖7是柴油機在不同轉(zhuǎn)速下五組不同的醇耗率對柴油機放熱率的影響?？傮w來看，在同一轉(zhuǎn)速時，隨著醇耗率的增加，燃燒起始點滯后，缸內(nèi)放熱率峰值亦呈現(xiàn)增加的趨勢，且峰值都大于純柴油的放熱率峰值。這說明，一方面甲醇的加入會使燃料著火時刻滯后［12-13］，另一方面，甲醇燃燒擴散較快，而且本實驗的甲醇是以氣態(tài)形式進入氣缸的，因而減少了甲醇從液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài)的時間，也無需汽化吸熱，因而累計放熱率會隨著醇耗率的增加而增加，有助于放熱率峰值增大，并且在同一轉(zhuǎn)速下，隨著醇耗率的增大，放熱率曲線形狀也越尖銳。

圖7　不同醇耗率對放熱率的影響

3　結(jié)論

1）隨著醇耗率的增大，負荷特性煙度逐漸降低，NOx在小的醇耗率時有所下降，大的醇耗率時有所升高；HC排放在所有負荷都增加，小負荷增時加的幅度更大。

2）EGR回路噴甲醇與EGR技術相結(jié)合，當噴醇量小于60 g/（kW·h）時，可以使碳煙和NOx的排放降低到一個最佳水平，但是會增加CO和HC的排放。

3）合適的EGR率和恰當?shù)膰姶剂康拇钆渚哂幸欢ǖ幕パa性，在試驗過程中精心調(diào)配噴醇量與EGR率，不但可以維持發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性基本不變，而且在一定程度上能改善發(fā)動機的燃燒過程，拓寬發(fā)動機的工作范圍，降低NOx和炭煙的排放。

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Experimental Analysis of Methanol Injection at Intake Port on Diesel Engine Performance

Wang Binghui1，Chen Yongfang2，Hu Guang1
1-Faculty of Maritime and Transportation，Ningbo University（Ningbo，Zhejiang，315211，China）2-School of Shipbuilding Engineering，Zhejiang International Maritime Vocational and Technical College

Experimental study was carried out on the turbocharged and intercooled diesel with methanol spray in the external EGR circulation loop.The effects of different amounts of injected methanol on diesel engine performance are studied.The results showed that the more the amount of methanol injected into the EGR circuit，the smoke of load characteristics will be gradually reduced，NOxin the small amount of alcohol spray will decline，and increase in the larger amount of alcohol spray；HC emissions increased in all load，but increased more under a small load.Cylinder pressure peak and peak heat release rate will increase with the spray amount of alcohol increases，the peak corresponding to the crank angle has a tendency to shift back，and the starting point of the combustion lags.

Exhaust gas recirculation，Methanol，Soot，NOx，Cylinder pressure，Heat release rate

TK427

A

2095-8234（2015）04-0091-06

2015-05-06）

2012A610169寧波市自然科學基金；Y200908480浙江省教育廳科研項目；lj2013201 2013年度浙江省高職高專院校專業(yè)帶頭人專業(yè)領軍項目。

王炳輝（1969-），男，碩士生導師，主要從事節(jié)約能源和環(huán)境保護的研究工作。