2135G船用柴油機(jī)摻燒含水乙醇重整燃料試驗(yàn)分析

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(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

關(guān)于燃料乙醇直接在柴油機(jī)中摻燒的研究，在節(jié)能減排方面均取得了良好的效果[1-4]。但是這種直接摻燒的方式要求乙醇的體積濃度必須在99.5%以上，而且乙醇替代率較高時(shí)需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)作較大改造，必要時(shí)還需采用助燃措施，以致增加了使用成本。有學(xué)者提出采用含水乙醇催化重整技術(shù)對(duì)乙醇作預(yù)處理后再在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用的方案，即將乙醇和水以一定的摩爾比混合后加熱，在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)，反應(yīng)所需熱源由內(nèi)燃機(jī)的廢氣余熱提供[5-6]。該方案在汽油機(jī)上應(yīng)用的研究發(fā)現(xiàn)，重整氣的加入改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒，特定工況條件下可有效降低NOx和HC排放水平，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能[8-12]。但是，針對(duì)柴油機(jī)的此類研究還不多見。為此，通過在改裝后的2135G型柴油機(jī)上進(jìn)行基于某新型硅土催化劑的含水乙醇重整試驗(yàn)，分析摻燒重整燃料對(duì)柴油機(jī)燃燒性能、經(jīng)濟(jì)性能以及排放性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

采用2135G柴油機(jī)，在排氣系統(tǒng)處加裝含水乙醇重整裝置，在進(jìn)氣系統(tǒng)處加裝含水乙醇重整燃料供給系統(tǒng)，將柴油機(jī)改裝成雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架見圖1。

主要測(cè)試設(shè)備包括江蘇啟測(cè)的Y380測(cè)功器和EMC900測(cè)功監(jiān)控系統(tǒng)；KISTLER-6125BU20型缸壓傳感器；日本HORIBA-PG350型氣體排放分析儀。

表1 2 135 G柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

試驗(yàn)使用0#輕柴油作為純柴油樣本；作摻燒用的含水乙醇重整燃料，由市售的95%燃料乙醇加水通過重整反應(yīng)得到75%含水乙醇。

重整反應(yīng)的產(chǎn)物理論上為H2、CO和CO2，但實(shí)際生成物中還包括CH4、C2H4、C2H6等產(chǎn)物。一般認(rèn)為，影響含水乙醇重整反應(yīng)進(jìn)行程度的主要因素，包括含水乙醇的水醇比、反應(yīng)溫度和含水乙醇進(jìn)入重整器流量等[7]。在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，考慮到燃料的能量密度，選用含水乙醇的水醇比為1∶1 ，當(dāng)反應(yīng)溫度和含水乙醇流量不同時(shí)，重整反應(yīng)的重整率在9.7%～37.4%范圍內(nèi)，反應(yīng)產(chǎn)物各組分所占比例的變化范圍見表2。

表2 含水乙醇重整反應(yīng)各反應(yīng)產(chǎn)物變化范圍

1.3 試驗(yàn)方法

在控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變的情況下，選取25%、50%、75%和90%共4個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)，分別進(jìn)行純柴油模式和摻燒模式試驗(yàn)。進(jìn)行摻燒試驗(yàn)時(shí)，通過控制球閥開度來調(diào)節(jié)含水乙醇進(jìn)入重整器的流量，從而間接調(diào)節(jié)乙醇重整燃料在摻燒時(shí)的替代率(柴油機(jī)在摻燒工作模式下重整燃料所替代的柴油量與純柴油工作模式下的柴油消耗量之比)。通過測(cè)試柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力、燃油消耗率來評(píng)價(jià)其動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能；由于試驗(yàn)用機(jī)是船舶用柴油機(jī)，故通過測(cè)試其主要排放污染物氮氧化物。試驗(yàn)方案見表3。

表3 試驗(yàn)工況及替代率

柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能通過燃油消耗率來評(píng)價(jià)。為了對(duì)柴油機(jī)在純柴油工作模式和摻燒重整燃料工作模式下的燃油消耗率作出直接比較，按照等熱值當(dāng)量原則，引入雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量燃油消耗率的概念，也稱為當(dāng)量比油耗。即

beq=(be×HE)/HD+bd

(1)

式中：beq為當(dāng)量燃油消耗率，g/(kW·h)；be、bd分別為含水乙醇燃料和柴油的實(shí)際消耗率；HE、HD分別為75%乙醇和0#柴油的低熱值，MJ/kg。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燃燒性能

氣缸內(nèi)的壓力是反映缸內(nèi)燃燒情況的重要參數(shù)。柴油機(jī)在不同負(fù)荷工況下的缸壓見圖2。由圖2可見，低負(fù)荷工況時(shí)，柴油機(jī)在摻燒工作模式下其滯燃期延長，且延長幅度隨替代率的增加而明顯增大，最高爆發(fā)壓力隨替代率的增加而降低，如發(fā)動(dòng)機(jī)在25%負(fù)荷、40.93%替代率條件下，與純柴油工作模式相比，其滯燃期延長8°～9°CA曲軸轉(zhuǎn)角，最高爆壓降低了約26%。50%負(fù)荷時(shí)，缸壓曲線變化趨勢(shì)與低負(fù)荷相似，但滯燃期隨替代率的增加而延長的趨勢(shì)減緩，同時(shí)最高爆壓相較純柴油工作模式時(shí)略有下降。而在高負(fù)荷工況時(shí)，滯燃期延長的幅度相對(duì)較小，在1°～2°CA曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，但壓力升高率相比純柴油工作模式增大，最高爆發(fā)壓力升高明顯，特別是在90%負(fù)荷時(shí)提高摻燒率，發(fā)動(dòng)機(jī)有明顯的爆震傾向。

圖2 不同負(fù)荷下缸壓變化

柴油機(jī)摻燒含水乙醇重整燃料時(shí)滯燃期增加，主要有兩個(gè)方面的原因。首先，重整燃料進(jìn)入柴油機(jī)中摻燒時(shí)，未參與重整反應(yīng)的乙醇和水的汽化潛熱均遠(yuǎn)大于柴油，造成缸內(nèi)溫度偏低；其次，柴油被部分替代后，噴入缸內(nèi)的油量減少，相對(duì)過量空氣系數(shù)變大，導(dǎo)致著火延遲，滯燃期延長。其中低負(fù)荷工況時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)排溫過低，重整反應(yīng)的反應(yīng)率較低，重整產(chǎn)物中包含大量的乙醇和水蒸氣，使得混合燃料的汽化潛熱較大，因此著火延遲嚴(yán)重，滯燃期大幅延長。而且過長的滯燃期導(dǎo)致燃燒發(fā)生在膨脹沖程，壓力升高率急速下降，缸內(nèi)最高爆壓降低明顯。50%負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度升高，汽化潛熱對(duì)缸內(nèi)溫度的影響減弱；同時(shí)噴油量相對(duì)增加，因此滯燃期延長和最高爆壓降低的幅度與低負(fù)荷相比均有明顯減緩。而在高負(fù)荷情況下，柴油機(jī)缸內(nèi)溫度較高，汽化潛熱對(duì)缸內(nèi)溫度的影響可忽略不計(jì)；重整率提高，重整產(chǎn)物中包含較多的H2，使得缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤欢覝计诘男》雍笫箍扇蓟旌蠚獬浞只旌?，增加了預(yù)混燃燒的比例，從而使得燃燒放熱率提高，燃燒持續(xù)期縮短，壓力升高率急劇增大，增加了定容燃燒的部分，因此其最高爆發(fā)壓力呈上升趨勢(shì)。

2.2 經(jīng)濟(jì)性能

不同負(fù)荷下，柴油機(jī)的當(dāng)量比油耗隨含水乙醇重整燃料隨柴油機(jī)中替代率的變化情況見圖3。在各個(gè)負(fù)荷條件下，摻燒重整燃料后，柴油機(jī)的當(dāng)量比油耗較純柴油工作模式均有升高。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在低負(fù)荷時(shí)，當(dāng)量比油耗隨替代率的增加而升高的趨勢(shì)明顯：當(dāng)替代率為20.42%時(shí)，當(dāng)量比油耗相比純柴油模式升高了31%；當(dāng)替代率增加到40.93%時(shí)，其升高幅度達(dá)97%。而在中高負(fù)荷時(shí)，當(dāng)量比油耗隨替代率增加而升高的趨勢(shì)與低負(fù)荷時(shí)相比明顯減緩。

圖3 替代率對(duì)當(dāng)量比油耗的影響

出現(xiàn)這種情況的原因主要是：低負(fù)荷時(shí)，重整燃料進(jìn)入氣缸后，著火時(shí)刻推遲，燃燒過程過于滯后，影響發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率；其次低負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)供油量少，重整氣的進(jìn)入使氣缸內(nèi)過量空氣系數(shù)增大，局部過稀的混合氣可能低于著火界限，致使燃燒不完全，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。而在中高負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)滯燃期的適當(dāng)延長可使缸內(nèi)可燃混合物更加均勻，有利于預(yù)混燃燒階段的進(jìn)行。同時(shí)，中高負(fù)荷時(shí)重整反應(yīng)產(chǎn)物中的H2、CH4等易燃?xì)怏w所占比例增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，燃燒效率更高，燃油?jīng)濟(jì)性較低負(fù)荷時(shí)有所改善。

2.3 排放性能

柴油機(jī)摻燒含水乙醇重整燃料時(shí)主要排放污染物NOx和CO的排放特性見圖4、5。

圖4 摻燒重整燃料對(duì)NOx排放的影響

圖5 摻燒重整燃料對(duì)CO排放的影響

可以看出，摻燒含水乙醇重整燃料后，NOx排放隨重整燃料替代率的增加而降低，但不同負(fù)荷條件下其降低幅度并不一致。其中低負(fù)荷時(shí)，NOx排放隨替代率增加而降低的幅度最大，當(dāng)替代率為20.42%時(shí)，NOx排放與純柴油模式相比降低了34%；當(dāng)替代率增加到40.93%時(shí)，其降低的幅度達(dá)到了67%。而在中高負(fù)荷時(shí)，隨替代率增加，NOx排放降低的幅度相比減緩。尤其在90%負(fù)荷工況時(shí)， NOx排放受替代率的影響很小，基本維持在原機(jī)水平。然而與NOx的排放規(guī)律相反，CO排放隨重整燃料替代率的增加呈上升趨勢(shì)，而且同樣在低負(fù)荷時(shí)比較明顯。25%負(fù)荷工況下，CO排放隨替代率的增加而升高的幅度很大，替代率為20.42%時(shí)，CO排放為純柴油模式下的3.4倍；當(dāng)替代率為40.93%時(shí)，CO排放同比增長為6.7倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出正常排放水平。而在中高負(fù)荷工況條件下，CO排放隨替代率增加而升高的趨勢(shì)較低負(fù)荷時(shí)明顯減緩。

分析認(rèn)為，在低負(fù)荷工況時(shí)，摻燒含水乙醇重整燃料后，柴油機(jī)滯燃期大幅延長，燃燒極度惡化，缸內(nèi)初始溫度和最高燃燒溫度均降低，導(dǎo)致NOx難以生成；并且較低的缸內(nèi)溫度使得燃料的不完全氧化反應(yīng)增加，CO大量累積，同時(shí)靠近壁面的淬冷層厚度增加，也一定程度上抑制了CO的氧化過程，因此CO排放明顯升高。而且此時(shí)隨著替代率的增加，柴油機(jī)的缸內(nèi)溫度愈發(fā)降低，NOx降低和CO升高的幅度均不同程度增大。中等負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)缸內(nèi)溫度升高，汽化潛熱對(duì)缸內(nèi)溫度的影響相比低負(fù)荷時(shí)減弱，燃燒有所改善，NOx排放降低和CO排放升高的趨勢(shì)均有所減緩。而在高負(fù)荷工況時(shí)，柴油機(jī)缸內(nèi)壓力升高率與燃燒放熱率均增大，缸內(nèi)溫度升高，促進(jìn)了NOx生成；但此時(shí)燃燒持續(xù)期縮短，氣缸內(nèi)工質(zhì)在高溫條件下滯留時(shí)間縮短，因此NOx排放隨替代率的變化與原機(jī)相比不明顯。另一方面，此時(shí)缸內(nèi)溫度的提高，以及缸內(nèi)局部過濃現(xiàn)象的改善，使得CO排放的變化同樣不明顯。

3 結(jié)論

1)柴油機(jī)摻燒含水乙醇重整燃料時(shí)，其滯燃期延長。低負(fù)荷時(shí)，由于缸內(nèi)溫度過低以及柴油噴射量減少，滯燃期延長的幅度較大，缸內(nèi)燃燒惡化，導(dǎo)致燃油消耗率顯著升高，CO排放急劇增加；高負(fù)荷時(shí)，含水乙醇重整反應(yīng)的反應(yīng)率提高，重整燃料中的氫氣所占比例增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，缸?nèi)最高爆發(fā)壓力升高，有爆震傾向，經(jīng)濟(jì)性得到改善，NOx排放較原機(jī)變化不大，CO排放增加的趨勢(shì)得到遏制。

2)綜合試驗(yàn)結(jié)果，柴油機(jī)摻燒含水乙醇重整燃料在高負(fù)荷時(shí)可取得較為理想的性能效果，但是在低負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化嚴(yán)重，導(dǎo)致其性能同樣惡化明顯。因此在現(xiàn)有的柴油機(jī)上摻燒含水酒精重整燃料總體上難以達(dá)到良好效果。若要在柴油機(jī)上更好地利用含水酒精重整燃料，需采取其他優(yōu)化策略，如采用有預(yù)燃室結(jié)構(gòu)的柴油機(jī)、改善催化劑的低溫活性等。

3)若能有效改善低負(fù)荷時(shí)的燃燒性能，該技術(shù)在柴油機(jī)上應(yīng)用時(shí)可替代部分燃油，達(dá)到較為理想的節(jié)能減排的效果。而且由于燃料乙醇本身具有來源廣泛、可再生、易儲(chǔ)存等特點(diǎn)，該方案在船舶運(yùn)輸領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。