不同海拔下甲醇替代率對DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

王 建，王 斌，尹必峰

不同海拔下甲醇替代率對DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

王 建，王 斌，尹必峰

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

為了探究甲醇進(jìn)氣道噴射的柴油甲醇二元燃料（Diesel Methanol Dual Fuel，DMDF）發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔條件下的燃燒和排放特性，該研究通過自行設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)高原大氣狀態(tài)模擬系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)A、B、C工況（A：1 200 r/min，50%負(fù)荷；B：1 800 r/min，50%負(fù)荷；C：2 200 r/min，50%負(fù)荷）在10、700和2 400 m海拔高度下的燃燒和排放特性隨甲醇替代率的變化規(guī)律。通過標(biāo)定試驗(yàn)，得出3個(gè)工況在各海拔高度下甲醇替代率的最大值。結(jié)果表明：相比純柴油（D100），各海拔下的甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，A、B、C工況下缸內(nèi)最大壓力增加了5.74%～26.14%，預(yù)混燃燒峰峰值增加了116.98%～234.83%，峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角后移了1.5～5.0 °CA，壓力升高率最大值增加了49.99%～211.97%，壓力升高率上升段曲線逐漸由雙峰變?yōu)閱畏澹變?nèi)最高溫度升高了3.99%～8.53%，海拔越高趨勢越明顯。與D100相比，不同海拔高度下最大甲醇替代率時(shí)，A、B、C工況下的滯燃期延長了1.00～2.50 °CA，燃燒持續(xù)期縮短了9.80～15.30 °CA，燃燒重心前移了2.10～7.90 °CA。D100時(shí)熱效率隨海拔高度的升高而降低，但甲醇替代率增加至最大值時(shí)，各工況在不同海拔條件下的熱效率比D100時(shí)提高了0.64%～1.82%。不同海拔高度下，3個(gè)工況的峰值壓力和平均有效壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)均隨甲醇替代率的增加而增加，但在高轉(zhuǎn)速、高甲醇替代率時(shí)（＞30%），同一甲醇替代率下平均有效壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)隨海拔高度的增加出現(xiàn)下降趨勢，峰值壓力和平均有效壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)的數(shù)值均在0.6%～3.5%之間。當(dāng)甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，對比D100，各海拔高度下soot排放降低了26.94%～74.05%，NOX排放降低了4.23%～37.97%。高原環(huán)境下，合適的甲醇替代率可優(yōu)化DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒過程并提升熱效率，同時(shí)較大幅度降低soot和NOX排放。各海拔高度下，發(fā)動(dòng)機(jī)可采用較大的甲醇替代率（≤50%）以改善缸內(nèi)燃燒過程，提高動(dòng)力性，并實(shí)現(xiàn)高海拔條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的高效清潔燃燒。

柴油機(jī)；燃燒；排放；甲醇；海拔

0 引 言

中國地域遼闊，海拔梯度分布明顯。海拔超過1 000 m的土地面積占國家領(lǐng)土總面積的58%，其中青藏高原的平均海拔達(dá)到了4 500 m[1]。隨著海拔的升高，大氣壓力不斷下降，空氣密度降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少[2]。柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時(shí)，燃燒過程惡化，柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性降低[3]。此外，國六輕型汽車排放法規(guī)增加了高海拔控制條件，對柴油機(jī)在高原地區(qū)的排放提出了更嚴(yán)格的要求[4]。因此，高原環(huán)境下柴油機(jī)性能降低的問題亟待解決。

為改善高原環(huán)境下柴油機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性問題，除了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、多級增壓等技術(shù)措施外[5-6]，含氧燃料備受關(guān)注，其中，甲醇碳含量低、氧含量高，被認(rèn)為是最具前途的低碳清潔燃料[7-8]。中國是世界上最大的甲醇生產(chǎn)國，制備工藝成熟，截至2020年8月，甲醇累計(jì)產(chǎn)量達(dá)4 414.5萬噸，占全球一半以上。2019年3月，工信部等發(fā)布《關(guān)于在部分地區(qū)推廣應(yīng)用甲醇汽車的指導(dǎo)意見》，明確提出“三個(gè)鼓勵(lì)和支持”意見[9]。綜合中國“多煤少油缺氣”的資源特點(diǎn)和甲醇的燃料特性，推廣甲醇燃料的應(yīng)用，不僅可調(diào)節(jié)國內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)，更有助于推動(dòng)能源綠色循環(huán)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“碳中和”[10]。

姚春德等[11-12]對甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，采用進(jìn)氣道噴射甲醇、缸內(nèi)噴射柴油的混合氣形成和燃燒組織方式，可提高甲醇使用比例，實(shí)現(xiàn)柴油和甲醇2種燃料的協(xié)同燃燒，稱為柴油/甲醇二元燃料（Diesel Methanol Dual Fuel，DMDF）模式。采用該燃燒模式后缸內(nèi)燃燒過程會(huì)發(fā)生明顯的變化，相對于柴油機(jī)，DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性增強(qiáng)，燃料經(jīng)濟(jì)性得到改善[13]。Chen等[14]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中高負(fù)荷時(shí)低甲醇替代率下的峰值壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)變化小，當(dāng)甲醇替代率進(jìn)一步增加時(shí)，缸內(nèi)峰值壓力出現(xiàn)顯著上升。王忠等[15]通過進(jìn)氣預(yù)混甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高負(fù)荷時(shí)，隨著甲醇比例的增大，最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值明顯增加，缸內(nèi)平均溫度略有升高。姬長峰[16]進(jìn)行了柴油機(jī)高原甲醇補(bǔ)氧研究，發(fā)現(xiàn)甲醇在燃燒中有自供氧效應(yīng)，其較高的汽化潛熱具有增加工質(zhì)密度的作用，從而改善燃燒過程并提高柴油機(jī)的動(dòng)力性、排放性和經(jīng)濟(jì)性。

已有研究表明，DMDF對改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和熱效率具有重要作用。然而，這些研究主要集中在海拔不超過50 m的平原地區(qū)，DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔超過500 m的高原環(huán)境下缸內(nèi)燃燒過程與排放的試驗(yàn)研究極少。因此，本文對DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)在700和2 400 m高海拔條件下不同甲醇替代率對缸內(nèi)燃燒特性、有效熱效率及排放的影響規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)在高海拔地區(qū)工作時(shí)缸內(nèi)工作過程優(yōu)化、性能提升提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1 試驗(yàn)裝置與測試儀器

試驗(yàn)樣機(jī)為4G33TC高壓共軌、增壓中冷柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。進(jìn)氣歧管上安裝4個(gè)甲醇噴嘴，甲醇通過噴嘴順序噴射與進(jìn)氣形成甲醇-空氣的預(yù)混氣后進(jìn)入氣缸，由缸內(nèi)直噴的柴油引燃，以實(shí)現(xiàn)柴油/甲醇二元燃料燃燒。海拔高度的增加對大氣壓力、空氣密度和大氣溫度都會(huì)產(chǎn)生影響，其中大氣壓力的變化最為明顯，對柴油機(jī)燃燒過程的影響最大，故內(nèi)燃機(jī)高原大氣狀態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要對內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)、排氣壓力進(jìn)行模擬[17]。課題組自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)通過進(jìn)氣節(jié)流和排氣抽真空的方式模擬了高海拔地區(qū)大氣壓力[18]，控制精度在±5%。試驗(yàn)臺架如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備主要包括湖南湘儀動(dòng)力測試儀器有限公司生產(chǎn)的CAC75型電力測功機(jī)、FC2210型燃油耗儀，AVL 365C型角標(biāo)儀，AVL 622型燃燒分析儀，KISTLER 5011B型電荷放大器，KISTLER 6056A型缸壓傳感器等，甲醇由改裝過的杭州中成測試設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MCS-960型燃油耗儀測得。NOX和soot排放分別由HORIBAMEXA 7200D尾氣分析儀與AVL 415s濾紙煙度計(jì)測得。試驗(yàn)設(shè)備的量程和精度如表 2所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

表2 試驗(yàn)設(shè)備量程與精度

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)使用內(nèi)燃機(jī)高原大氣狀態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)分別模擬海拔高度為10、700、2 400 m處的大氣狀態(tài)。其中，10 m為試驗(yàn)所在地的海拔高度，700和2 400 m分別為國六輕型汽車排放法規(guī)中規(guī)定的普通海拔條件和進(jìn)一步擴(kuò)展海拔條件。高海拔時(shí)大氣壓力由公式（1）計(jì)算，可得700和2 400 m海拔高度處的大氣壓力分別為93.2和75.6 kPa。

為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前對所有試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)。試驗(yàn)首先測量10 m海拔時(shí)的純柴油和DMDF模式下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，然后調(diào)整進(jìn)氣節(jié)流閥獲取不同海拔高度下的進(jìn)氣壓力，重復(fù)試驗(yàn)，待發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度穩(wěn)定且冷卻水溫度達(dá)到80 ℃后，采集每個(gè)甲醇替代率下的缸內(nèi)壓力、燃油消耗量和排放數(shù)據(jù)，并計(jì)算平均值作為最終數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，室內(nèi)的環(huán)境溫度及濕度基本保持不變，環(huán)境溫度為23～25 ℃，大氣相對濕度為62%～65%。

DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油和甲醇噴射分別由各自的電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）獨(dú)立控制，甲醇ECU通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸及曲軸位置傳感器信號并由CAN通訊獲得發(fā)動(dòng)機(jī)柴油噴射參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與柴油噴射的協(xié)同控制。通過調(diào)整甲醇噴射脈寬控制甲醇噴射量，柴油和甲醇均為單次噴射。DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射參數(shù)如表3所示。

表3 DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)噴射參數(shù)

本文引入甲醇替代率（Methanol Substitution Rate，MSR）這一參數(shù)對甲醇替代柴油的情況進(jìn)行定量描述，具體定義如公式（2）所示[19]。

相關(guān)研究表明，甲醇替代率過高時(shí)，DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)在高速重載時(shí)會(huì)爆震[20]，DMDF模式的最佳工作區(qū)位于各轉(zhuǎn)速的中等負(fù)荷工況。因此，試驗(yàn)工況選擇1 200 r/min、50%負(fù)荷，1 800 r/min、50%負(fù)荷，2 200 r/min、50%負(fù)荷，分別記為工況A、工況B和工況C。壓力升高率大于1.0 MPa/°CA時(shí)認(rèn)為達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度極限，停止甲醇替代率的增加。通過標(biāo)定試驗(yàn)，得出不同工況在各海拔高度下的最大甲醇替代率。A、B、C工況下的最大甲醇替代率在10 m海拔時(shí)分別為40%、50%和50%，700 m海拔時(shí)分別為40%、50%和50%，2 400 m海拔時(shí)分別為40%、40%和50%。將純柴油記為D100，甲醇替代率為10%、20%、30%、40%和50%時(shí)分記為M10、M20、M30、M40和M50。試驗(yàn)方案及試驗(yàn)條件如表4所示。

表4 試驗(yàn)方案與條件

2 結(jié)果與分析

2.1 燃燒特性

圖2為在不同海拔下甲醇替代率對DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)各工況的缸內(nèi)壓力及放熱率的影響?？梢钥闯?，各海拔下隨著甲醇替代率的增加，缸內(nèi)壓力和放熱率在A、B、C工況下的變化趨勢一致：缸內(nèi)燃燒壓力峰值增加了5.74%～26.14%，預(yù)混燃燒峰峰值增加了116.98%～234.83%，峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角后移了1.5～5.0 °CA，擴(kuò)散燃燒峰峰值降低，放熱率曲線由雙峰向單峰轉(zhuǎn)變，海拔越高趨勢越明顯。以工況B為例，甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，對比D100，各海拔高度下的缸內(nèi)最大燃燒壓力分別增加了11.86%、21.52%和24.27%，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別提前了約2.8、2.9和3.4 °CA，各海拔高度下的預(yù)混燃燒峰峰值分別增加了224.18%、234.83%和176.26%，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別后移了約2.0、1.5、2.0 °CA。甲醇的高汽化潛熱降低了進(jìn)氣溫度，延長了滯燃期，導(dǎo)致著火推遲，使預(yù)混燃燒峰峰值對應(yīng)的相位后移。滯燃期的延長提高了缸內(nèi)混合氣的均勻度，預(yù)混燃燒量增加，燃燒速率上升，且甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤煊诓裼?，一旦柴油被壓燃，缸?nèi)的甲醇幾乎與柴油同時(shí)燃燒，放熱率急劇升高，放熱更集中。此外，隨著甲醇替代率的增加，柴油噴射量相應(yīng)減少，使擴(kuò)散燃燒減少，且海拔高度的增加延長了滯燃期，進(jìn)一步提高了預(yù)混燃燒量，增加了燃燒等容度，加快了火焰的傳播速度，有利于高海拔條件下混合燃料燃燒熱量的釋放和燃燒熱量利用率的提高，從而使得高海拔條件下隨著甲醇替代率的增加，缸內(nèi)壓力顯著提高。

圖3為不同海拔高度下各工況的壓力升高率隨甲醇替代率的變化情況?？梢钥闯?，不同海拔高度下，隨著甲醇替代率的增加，A、B、C工況下的壓力升高率最大值均大幅增加，增幅為49.99%～211.97%，壓力升高率上升段曲線逐漸由雙峰變?yōu)閱畏澹０卧礁呲厔菰矫黠@。以工況B為例，各海拔高度下，當(dāng)甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，壓力升高率最大值分別為0.66、0.88和0.99 MPa/°CA，對比D100，分別增加了205.36%、211.97%和176.03%，最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均后移了約2 °CA。在高海拔地區(qū)，燃油的理化特性對壓力升高率有顯著影響。甲醇汽化潛熱高，在高海拔條件下，當(dāng)甲醇替代率升高時(shí)，滯燃期進(jìn)一步延長，預(yù)混燃燒比重進(jìn)一步增加。此外，甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^柴油更快，著火界限更寬（體積分?jǐn)?shù)為6.7%～36.5%），在高海拔進(jìn)氣量減小的情況下仍可快速燃燒。因此，DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)在高海拔、高替代率情況下，放熱更加迅速、集中，使壓力升高率的峰值大幅升高，對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角后移。

圖4為各海拔高度下，DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度隨甲醇替代率的變化情況。由圖4可知，隨著甲醇替代率的增加，各海拔高度下A、B、C工況的缸內(nèi)最高溫度均不斷升高，相同甲醇替代率下，海拔越高，缸內(nèi)最高燃燒溫度越大。當(dāng)各海拔下的甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，工況A下缸內(nèi)最高溫度分別達(dá)1 576、1 687和1 883 K，對比D100，分別增加了6.10%、6.16%和7.60%，工況B下分別增加了3.99%、4.67%和4.89%，工況C下分別增加了6.17%、6.43%和8.53%，海拔越高，上升幅度越大。預(yù)混放熱量增加是缸內(nèi)最高溫度上升的主要原因。高海拔條件下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，滯燃期延長，預(yù)混燃燒放熱量進(jìn)一步增加，導(dǎo)致缸內(nèi)最高溫度較10 m海拔時(shí)更高。

不同海拔高度下甲醇替代率對DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的滯燃期、燃燒持續(xù)期和燃燒重心的影響圖5所示。定義燃燒始點(diǎn)為CA05，燃燒重心為CA50，滯燃期為噴油始點(diǎn)與CA05之間的曲軸轉(zhuǎn)角，燃燒持續(xù)期為CA05和CA90之間的曲軸轉(zhuǎn)角，其中CA05、CA50和CA90分別代表累計(jì)放熱量占總放熱量的5%、50%和90%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

從圖5可以看出，在各海拔高度下，當(dāng)甲醇替代率逐漸增加至最大值時(shí)，對比D100，A、B、C工況下的滯燃期延長了1.00～2.50 °CA，燃燒持續(xù)期縮短了9.80～15.30 °CA，且CA50前移了2.10～7.90 °CA。以工況B為例，對比D100，當(dāng)甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，各海拔高度下的滯燃期分別延長了1.75、1.80和1.45 °CA，燃燒持續(xù)期分別縮短了10.95、13.45和14.05 °CA，CA50分別提前了5.80、7.45和7.90 °CA。10 m海拔時(shí)，甲醇汽化潛熱高，降低了進(jìn)氣溫度，使得滯燃期延長，期間形成了更多均質(zhì)混合氣，造成預(yù)混燃燒量增加，放熱更迅速，最終導(dǎo)致CA50提前，燃燒持續(xù)期縮短。海拔升高時(shí)，進(jìn)氣量減小，上止點(diǎn)附近的缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度的降低減緩了燃料的燃燒速度，導(dǎo)致滯燃期進(jìn)一步延長，燃燒持續(xù)期延長。甲醇替代率的增加使得放熱更推后，滯燃期內(nèi)形成了更多的均質(zhì)混合氣，進(jìn)一步擴(kuò)大了預(yù)混燃燒比例。同時(shí)，甲醇汽化潛熱高，增加了進(jìn)氣密度。作為含氧燃料，甲醇燃燒時(shí)分解出化學(xué)氧，改善了燃燒過程。此外，甲醇火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，甲醇替代率的提高加快了燃料整體燃燒速度，使得更多的燃料在預(yù)混燃燒階段氧化放熱，因此，高海拔條件下放熱更加集中、迅速，CA50進(jìn)一步提前。

2.2 有效熱效率

為計(jì)算DMDF模式下的有效熱效率（Brake Thermal Efficiency, BTE），將甲醇消耗率換算成相同熱值下的柴油消耗率，得出等效比油耗BSFCDMDF，再計(jì)算出BTE。BSFCDMDF和BTE的定義分別如式（3）和式（4）所示[20]。

圖6所示為不同海拔高度下發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率隨甲醇替代率的變化情況。各海拔高度下，隨著甲醇替代率的增加，A、B、C工況的有效熱效率均逐漸提高。對比D100，各海拔高度下，當(dāng)甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，工況A下有效熱效率分別提高了1.35%、0.72%和1.35%，工況B下分別提高了1.06%、1.46%和0.97%，工況C下則分別提高了0.83%、0.64%和1.82%。主要原因如下：1）甲醇汽化潛熱高，降低了進(jìn)氣溫度，延長了滯燃期，預(yù)混燃燒量隨甲醇替代率的增加而增加；2）DMDF模式下，甲醇與空氣在進(jìn)氣歧管已形成均質(zhì)混合氣，且柴油噴射量的減少降低了擴(kuò)散燃燒比例，進(jìn)一步增強(qiáng)了混合氣均質(zhì)壓燃的趨勢，改善了燃燒過程；3）甲醇燃燒速度比柴油快，有利于燃料充分燃燒，燃燒持續(xù)期的縮短減少了散熱時(shí)間，提高了燃料燃燒效率。

海拔高度的增加導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，混合氣質(zhì)量變差，燃燒惡化，工質(zhì)做功能力降低。甲醇替代率的增加替換了部分柴油，減少了缸內(nèi)混合氣過濃區(qū)域，提高了缸內(nèi)可燃混合氣均勻度，且甲醇的著火極限較柴油更寬，緩解了燃燒惡化的情況。因此，甲醇提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的潛力在高海拔地區(qū)更加明顯。

2.3 循環(huán)變動(dòng)系數(shù)

圖7為不同海拔高度下，峰值壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)（COVPP）和平均有效壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)（COVIMEP）隨甲醇替代率的變化情況。隨著甲醇替代率的增加，A、B、C工況下的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)在各海拔高度下的變化趨勢相似。以工況B為例，海拔為700 m時(shí)，相比D100，當(dāng)甲醇替代率達(dá)到M50時(shí)，COVPP由1.13%增大至2.61%，COVIMEP由0.81%增大至1.34%。高海拔情況下甲醇替代率的增加使滯燃期進(jìn)一步延長，燃燒始點(diǎn)推遲，預(yù)混燃燒量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)最大燃燒壓力和最大壓力上升率大幅增加，可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)粗暴，且甲醇的十六烷值較小，燃料的著火性差[21]，抑制了高海拔情況下柴油的著火，這些因素最終共同導(dǎo)致COVPP和COVIMEP增大。然而，當(dāng)甲醇替代率超過30%時(shí)，隨著海拔的升高，同一甲醇替代率下的COVIMEP降低。以工況B下的M40為例，各海拔高度下的COVIMEP分別為1.64%（10 m）、1.27%（700 m）和1.09%（2 400 m）。高海拔條件下甲醇替代率的升高進(jìn)一步增加了預(yù)混燃燒量，加快了燃燒速度，改善了燃燒過程，從而提高了燃燒過程的可重復(fù)性[22]。研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)COVPP的最大限值為2%～5%，COVIMEP的最大值為2%～5%[23]。A、B、C工況在各海拔條件及甲醇替代率下的COVPP和COVIMEP的值均可控制在0.6%～3.5%之間。這意味著高原環(huán)境下DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

2.4 NOX與soot排放

如圖8所示，各海拔高度下A、B、C工況下的NOX和soot排放隨著甲醇替代率增加均不斷降低。相比D100，當(dāng)不同海拔高度下的甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，soot排放在A、B、C工況下的降低幅度分別為41.46%～74.05%、35.54%～58.32%和26.94%～70.00%，NOX排放在各工況下的降低幅度分別為4.23%～35.44%、8.97%～25.59%和13.23%～37.97%。缸內(nèi)溫度、氧濃度和高溫持續(xù)時(shí)間是NOX生成的主要因素；對于soot，高溫缺氧是其生成的主要因素[24]。甲醇替代率的增加替代了更多的柴油，從源頭上減少了soot的生成，且甲醇汽化潛熱高、燃燒速度快，減少了缸內(nèi)局部高溫區(qū)域，縮短了燃燒持續(xù)期，從而減少了高溫持續(xù)時(shí)間。此外，高海拔條件下進(jìn)氣充量減少，但甲醇作為含氧燃料燃燒后生成化學(xué)氧，且高海拔條件下預(yù)混燃燒量進(jìn)一步增加，因此，缸內(nèi)燃燒過程得到改善，對降低soot排放起到顯著效果。相比氧濃度，溫度對NOX的生成的影響更大，甲醇替代率的增加延長了滯燃期，增加了預(yù)混燃燒比例，加快了燃燒速率，缸內(nèi)最高燃燒溫度升高（見圖5），從而促進(jìn)NOX的生成；但燃燒持續(xù)期和高溫持續(xù)時(shí)間的縮短抑制了NOX的生成。此外，當(dāng)海拔升高時(shí)，缸內(nèi)平均溫度進(jìn)一步升高，缸內(nèi)高溫環(huán)境對NOX生成的促進(jìn)作用增加，弱化了甲醇冷卻效應(yīng)與燃燒持續(xù)期縮短對NOX生成的抑制作用。因此，隨著甲醇替代率的增加，各工況下的NOX排放NOX排放量降低但下降趨勢逐漸平緩，且高海拔條件下NOX排放下降幅度較10 m海拔時(shí)減小。綜上所述，甲醇替代率的增加可同時(shí)降低NOX和soot排放，有效緩解了高海拔下柴油機(jī)NOX和soot排放的trade-off關(guān)系進(jìn)一步惡化的情況。

3 結(jié) 論

通過內(nèi)燃機(jī)高海拔大氣狀態(tài)模擬系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)在A、B、C工況（A：1 200 r/min，50%負(fù)荷；B：1 800 r/min，50%負(fù)荷；C：2 200 r/min，50%負(fù)荷），不同甲醇替代率對10、700以及2 400 m海拔高度時(shí)缸內(nèi)工作過程和排放的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1）相比純柴油（D100），當(dāng)各海拔條件下的甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，A、B、C工況下的缸內(nèi)最大壓力增加了5.74%～26.14%，預(yù)混燃燒峰峰值增加了116.98%～234.83%，峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角后移了1.5～5.0 °CA，預(yù)混燃燒量增大，壓力升高率最大值增加了49.99%～211.97%，壓力升高率上升段曲線逐漸由雙峰變?yōu)閱畏?，缸?nèi)最高溫度升高了3.99%～8.53%，海拔越高趨勢越明顯。

2）各海拔條件下，當(dāng)甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)，對比D100，A、B、C工況下的滯燃期延長了1.00～2.50 °CA，燃燒持續(xù)期縮短了9.80～15.30 °CA，CA50前移了2.10～7.90 °CA，有效熱效率提高了0.64%～1.82%；峰值壓力和平均有效壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)隨甲醇替代率的增加而增大，海拔越高增幅越大，均在0.6%～3.5%之間，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

3）A、B、C工況下，相比D100，當(dāng)各海拔高度下的甲醇替代率達(dá)到最大值時(shí)NOX排放下降了4.23%～37.97%，soot排放下降了26.94%～74.05%，甲醇替代率的增加可使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔下的NOX和soot排放同時(shí)降低。

綜上可知，各海拔高度下，甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用有利于改善缸內(nèi)燃燒過程，提高熱效率。采用較大的甲醇替代率（≤50%）可在保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)高海拔條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的高效清潔燃燒。

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Effects of methanol substitution rate on the performance of DMDF engine at different altitudes

Wang Jian, Wang Bin, Yin Bifeng

(,,212013,)

A high-altitude environment has posed a great challenge to the performance of conventionaldiesel engines. The reduction of intake thin air can lead to the deterioration of the combustion process, when the diesel engine is operating at a high altitude. Particularly, the power performance and thermal efficiency can be reduced significantly during this time, together with the much larger emissions of the diesel engine. Meanwhile, more stringent requirements have been released for the emission of diesel engines at a high altitude under the control conditions in China’s Stage 6 Emission Standard of light-duty vehicles. Therefore, much more attention has been paid to methanol fuel, in order to improve the performance of diesel engines at a high altitude, particularly considering the most promising low-carbon clean fuel. This study aims to investigate the influence of methanol substitution percentage (MSP) on combustion characteristics in a diesel/methanol dual fuel (DMDF) engine at a high altitude. A systematic experiment was also performed with a high-pressure common rail diesel engine. Methanol was injected into the intake manifold through a methanol nozzle mounted on the intake manifold in the diesel engine. Three working conditions of A, B, and C were selected, where the working condition A: the speed of 1 200 r/min, 50% load; the working condition B: the speed of 1 800 r/min, 50% load; the working condition C: the speed of 2 200 r/min, 50% load. A high-altitude atmosphere testing system was designed for the experimental environment of three altitudes, including 10, 700, and 2 400 m. The in-cylinder pressure, fuel consumption, and emissions were also measured during the process. Some key combustion parameters were calculated according to the data of in-cylinder pressure, such as the heat release rate, pressure rise rate, and combustion duration. Correspondingly, the maximum MSP was obtained under the three working conditions at the three altitudes in the calibration test. The results showed that the maximum in-cylinder pressure increased 5.74%-26.14%, compared with diesel (D100), when the MSP of three working conditions reached the maximum at the three altitudes. The first peak value of heat release rate increased 116.98%-234.83% at various altitudes with the increment of MSP, where the crank angle was postponed by 1.5-5.0 °CA. At the same time, the premixed combustion proportion expanded significantly. Furthermore, the variation in the pressure rise rate was similar to that in the heat release rate. The maximum pressure rise rate increased by 49.99%-211.97%, while the curve of pressure rise rate gradually changed from double peak to single peak. The maximum in-cylinder temperature increased 3.99%-8.53% at the three altitudes, compared with D100, when the MSP reached the maximum. It infers that the increase of in-cylinder temperature was greater, as the altitude increased. A combination of parameters was achieved under the maximum MSP of three working conditions, where the ignition delay period was extended by 1.00-2.50 °CA, while the combustion duration was shortened by 9.80-15.30 °CA, and the combustion center was advanced by 2.10-7.90 °CA, indicating the rise of altitude further aggravated this tendency. In addition, the brake thermal efficiency (BTE) increased by 0.64%～1.82%. The coefficient of variation (CV) of peak in-cylinder pressure (COVPP), and indicated mean effective pressure (COVIMEP) also increased with the increment of MSP at different altitudes and working conditions. There was a downward trend of COVIMEPat the same MSP, with the increment of altitude at a high speed and high MSP (>30%). Both COVPPand COVIMEPcould also be controlled between 0.6% and 3.5% during the process. The soot decreased by 26.94%-74.05%, while the NOXemission decreased by 4.23%-37.97% at different altitudes, compared with D100, when the MSP reached the maximum. An optimal MSP was achieved for the in-cylinder combustion of the DMDF engine, thereby improving the thermal efficiency and greatly decreasing the soot and NOXemission simultaneously at high altitudes. The DMDF engine can be expected to apply for a large methanol substitution percentage (≤50%), to improve the combustion process in the cylinder at different altitudes. The finding can contribute to the power performance in the high efficiency, further to clean the combustion of engines at high altitudes.

diesel engine; combustion; emissions; methanol; altitude

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.007

TK421

A

1002-6819(2021)-10-0054-10

王建，王斌，尹必峰.不同海拔下甲醇替代率對DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(10)：54-63.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.007 http://www.tcsae.org

Wang Jian, Wang Bin, Yin Bifeng. Effects of methanol substitution rate on the performance of DMDF engine at different altitudes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 54-63. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.007 http://www.tcsae.org

2021-01-10

2021-05-06

江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（蘇證辦發(fā)[2015]）；江蘇重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（BE201518）

王建，副教授，研究方向?yàn)橹行」β蕛?nèi)燃機(jī)工作過程與性能優(yōu)化。Email：wangjian@mail.ujs.edu.cn