甲醇替代率對柴油/甲醇反應活性控制壓燃發(fā)動機性能的影響

黃粉蓮，楊 群，王正江，姚國仲，申立忠，雷基林

（昆明理工大學云南省內(nèi)燃機重點實驗室，昆明650500）

0 概述

柴油機是功率密度大、熱效率高、應用范圍最廣的原動力裝置。隨著國六排放標準的實施及“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標的提出，高效、低碳、近零排放已成為柴油機發(fā)展的重要方向。提高熱效率、燃料多元化是柴油機技術創(chuàng)新的重要途徑。甲醇作為新興清潔能源，具有低碳、含氧量高、汽化潛熱高等特點，是實現(xiàn)碳中性循環(huán)的清潔可再生燃料［1］。甲醇燃料在柴油機上的應用主要有直接混合、進氣道噴射和缸內(nèi)直噴3 種方式［2-4］。研究表明：甲醇/柴油雙燃料反應活性控制壓燃（reactivity controlled compression ignition，RCCI）技術兼具熱效率高、NOx和顆粒物排放低、發(fā)動機負荷范圍寬等優(yōu)勢，是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦腿紵绞健５突钚?、易揮發(fā)的甲醇燃料采用進氣道低壓噴射，柴油采用缸內(nèi)直噴策略，利用柴油自燃溫度低、易著火及甲醇燃燒速率快、抗爆性好的特點，實現(xiàn)可控的高效、清潔燃燒［5-6］。

目前，國內(nèi)外學者對甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機的研究主要涉及臺架試驗、燃燒過程仿真、化學反應動力學模型等方面［7-10］。文獻［11］中研究了進氣歧管噴射、進氣沖程缸內(nèi)直噴和壓縮沖程缸內(nèi)直噴3 種甲醇噴射策略下甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機的燃燒特性。結果表明，采用壓縮沖程缸內(nèi)直噴策略時凈指示熱效率較低，提高甲醇替代率對燃燒過程有不利影響。甲醇進氣歧管噴射策略在1.2 MPa 平均指示壓力下實現(xiàn)NOx和碳煙超低排放。文獻［12］中研究了柴油機氧化催化器（diesel oxidation catalysts，DOC）方案和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）與DOC 的組合方案（SCR+DOC）對柴油機摻燒甲醇時排放的影響，結果表明：DOC 促使NO2比例恢復至柴油機排放水平，可降低甲醇排放；SCR+DOC方案在保持NO2比例處于柴油機常規(guī)水平的條件下完全消除了雙燃料發(fā)動機的甲醛和甲醇排放。文獻［13］中研究了柴油/甲醇二元燃料發(fā)動機不同替代率下的排放特性，結果表明：二元燃料模式下的甲醛、未燃甲醇及N2O 的比排放與純柴油模式相比均有不同程度的增加，且隨著甲醇替代率的增大而升高，隨著負荷的增高而降低。文獻［14］中研究了甲醇替代率對發(fā)動機性能的影響，結果表明加入甲醇后有效當量能耗和熱效率有所改善，排氣溫度降低，NOx排放減少。文獻［15］中研究了甲醇噴射正時和甲醇替代率對甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機燃燒和排放的影響，結果表明較高的甲醇替代率使著火延遲時間增加，燃燒持續(xù)時間縮短，熱效率升高，CO 和碳煙排放降低。文獻［16］中基于熱力學第二定律研究了柴油甲醇組合燃料（diesel methanol dual fuel，DMDF）發(fā)動機在不同工況下的損失，結果表明因甲醇汽化潛熱值高，摻燒甲醇后缸內(nèi)燃燒溫度低，DMDF 發(fā)動機在不同負荷下的傳熱損失均較低。文獻［17］中研究了柴油機預噴策略對甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機燃燒與排放性能的影響，結果表明采用預噴策略后發(fā)動機瞬時放熱率和最高燃燒溫度降低，碳氫化合物（hydrocarbon，HC）排放降低，CO、NOx和顆粒物（particulate matter，PM）排放升高。文獻［18］中研究了甲醇或汽油預混比例、柴油噴油正時、壓縮比對非道路柴油機納米級顆粒物排放的影響。結果表明，全負荷時顆粒總數(shù)濃度較高，且隨著燃料預混比例的增加而升高。與汽油相比，甲醇/柴油雙燃料RCCI 燃燒顆粒物排放更高。文獻［19］中通過試驗對比了能量替代率對柴油/甲醇、柴油/乙醇和柴油/正丁醇雙燃料發(fā)動機燃燒特性和性能的影響，結果表明當甲醇替代率從0% 增加到40% 時，柴油/甲醇發(fā)動機有效熱效率從 41.6% 增加到42.3%，隨著替代率的增加，柴油/甲醇發(fā)動機的顆粒物和NOx排放降低。

RCCI 燃燒在低負荷和高負荷工況面臨負荷拓展問題，通過優(yōu)化燃料活性、預混比例、噴油時刻、廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）率、氣門正時、進氣增壓等參數(shù)，目前RCCI 能達到的負荷范圍為平均有效壓力0.6 MPa～2.4 MPa，研究多集中在單缸機上［20］。文獻［21］中研究表明，高負荷下采用EGR 技術可以大幅度提高最大甲醇替代率并降低最高燃燒壓力和壓力升高率，增加排氣背壓和推遲噴射時刻可提高最大甲醇替代率，高轉速下增加排氣背壓的效果更優(yōu)。文獻［22］中研究了RCCI 燃燒重型發(fā)動機的負荷范圍擴展，結果表明：從低負荷到中負荷范圍，RCCI 運行應采用兩次噴射策略；從高負荷到滿負荷運行，為了避免缸內(nèi)壓力梯度過大，應采用單次噴射策略。

綜上所述，甲醇替代比例、柴油噴射正時、燃空當量比等對甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機燃燒與排放特性有重要影響。在保證混合氣可靠著火與穩(wěn)定燃燒的前提下，提高甲醇替代率、降低排氣污染物是提升甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機能效比和充分發(fā)揮RCCI 燃燒優(yōu)勢的關鍵。本研究基于實驗室自主開發(fā)的甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機雙燃料集成控制系統(tǒng)及專用試驗臺架，深入研究了甲醇替代率對柴油/甲醇RCCI 發(fā)動機經(jīng)濟性、污染物排放特性的影響，探索通過調整節(jié)氣門開度提高甲醇替代率的潛力，為柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機燃燒與排放控制提供參考。

1 試驗裝置及方法

在試驗用柴油機進氣歧管處安裝4 個甲醇噴射器實現(xiàn)甲醇多點順序噴射，對原柴油機試驗臺架進行改造，安裝甲醇供給系統(tǒng)、甲醇流量測試系統(tǒng)和排放測量裝置，建成柴油/甲醇RCCI 發(fā)動機專用試驗臺架。試驗時保持原機的柴油噴射正時不變，根據(jù)替代率要求調節(jié)柴油和甲醇的噴射量。甲醇采用進氣道低壓噴射，噴射壓力為0.3 MPa～0.5 MPa，柴油高壓噴入缸內(nèi)。試驗研究外特性工況和最大轉矩轉速1 600 r/min、不同負荷工況下甲醇替代率對柴油/甲醇RCCI 發(fā)動機綜合性能的影響規(guī)律。試驗臺架如圖1 所示。采用雙紐線發(fā)動機進氣質量流量計測量進氣量，AVL FTIR i60 傅立葉紅外分析儀可同時測量非甲烷碳氫化合物（non-methane hydrocarbons，NMHC）、甲醇（CH3OH）、甲醛（HCHO）、NO、NO2、CO、CO2等25 種常規(guī)和非常規(guī)排氣污染物組分。試驗用柴油和甲醇燃料的特性參數(shù)如表1 所示，主要試驗設備如表2 所示，發(fā)動機基本參數(shù)如表3 所示。

表2 主要設備參數(shù)

表3 發(fā)動機基本參數(shù)

圖1 甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機試驗臺架

表1 甲醇和柴油燃料主要特性參數(shù)

采用雙燃料RCCI 燃燒模式運行時，當量燃油消耗量按等熱值將甲醇折合為柴油，即：

式中，mDual為當量燃油消耗量，kg/h；mD為RCCI 模式下的柴油噴射量，kg/h；mM為RCCI 模式下的甲醇噴射量，kg/h；hM為甲醇的低熱值，hM=19.89 MJ/kg；hD為柴油的低熱值，hD=42.5 MJ/kg。

RCCI 發(fā)動機的過量空氣系數(shù)λ為混合氣體中空氣質量與燃料所需理論空氣量之比，如式（2）所示。

式中，mair為進氣質量流量，kg/h；lD為柴油理論空燃比，lD=14.3；lM為甲醇理論空燃比，lM=6.45。

甲醇替代率γM定義為每循環(huán)噴入缸內(nèi)的甲醇提供的能量占循環(huán)油量總能量的比例，按式（3）計算。

當量燃油消耗率be為在雙燃料RCCI 模式下把甲醇消耗率等熱值轉化為柴油后計算得到的總的有效當量燃油消耗率，按式（4）計算。

式中，Pe為發(fā)動機功率，kW。

有效熱效率ηet按式（5）計算。

2 試驗結果分析

2.1 甲醇替代率邊界分析

圖2 為1 600 r/min、不同負荷下甲醇替代率對發(fā)動機有效熱效率的影響，中、低負荷下最大甲醇替代率可達50%，中高負荷甲醇替代率可達75%，高負荷下最大甲醇替代率僅為30%。不同負荷下，有效熱效率隨甲醇替代率的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢。25%～50% 負荷率范圍，甲醇替代率為10% 時有效熱效率高于原機；隨著甲醇替代率繼續(xù)增大，有效熱效率降低。25% 負荷率、30% 替代率時有效熱效率較原機降低4.6%。50%～100% 負荷率范圍，隨著甲醇替代率的增加，有效熱效率升高。100% 負荷、30% 替代率時，有效熱效率為0.427，較原機提高9.4%。

圖2 1 600 r/min 甲醇替代率對有效熱效率的影響

圖3 為1 600 r/min、不同負荷下甲醇替代率對有效當量燃油消耗率的影響。25%～50% 負荷率范圍，甲醇替代率為10% 時有效當量燃油消耗率低于原機，隨著甲醇替代率繼續(xù)增大，有效當量燃油消耗率升高。25% 負荷率、30% 替代率時有效當量能耗較10% 替代率時增高14.8%。50%～100% 負荷范圍，隨著甲醇替代率的增加，有效當量燃油消耗率降低。100% 負荷、30% 甲醇替代率時，有效當量燃油消耗率較原機降低6.2%。

圖3 1 600 r/min 甲醇替代率對有效當量燃油消耗率的影響

低負荷工況純柴油模式時，發(fā)動機循環(huán)噴油量較少，混合氣過于稀薄，易發(fā)生失火，噴入適當?shù)募状既剂峡商岣呋鹧婧诵耐鈬幕旌蠚鉂舛?，改善缸?nèi)混合氣質量，使燃燒更充分。雙燃料模式下柴油作為引燃燃料，隨著甲醇替代率增加，缸內(nèi)甲醇燃料增多，柴油燃料相應減少，點火能量降低，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x有限，導致不完全燃燒加劇，且甲醇的汽化潛熱值是柴油的4.2 倍，甲醇燃料汽化吸熱造成初始燃燒溫度降低，加劇燃燒惡化程度，導致有效熱效率降低及有效當量燃油消耗率升高。綜上，低負荷工況下甲醇替代率不宜過大。

中高、高負荷工況下，發(fā)動機循環(huán)噴油量增多，點火能量增大。隨著甲醇替代率增加，甲醇的揮發(fā)促進油氣充分混合，缸內(nèi)甲醇與新鮮充量形成的預混合氣濃度升高，燃燒更為充分且釋放化學能更徹底。此外，甲醇汽化潛熱值高，可降低初始燃燒溫度和最高燃燒溫度，缸內(nèi)高溫梯度降低，傳熱損失減少。且甲醇燃料含氧量達50%，甲醇替代率越大，混合氣中氧原子濃度越高，有利于燃油氧化分解，促進燃料充分燃燒。

圖4 為發(fā)動機轉速1 600 r/min、25% 負荷率時，甲醇替代率對有效當量燃油消耗率和有效熱效率的影響規(guī)律。25% 負荷率時，最大甲醇替代率可達75%，然而甲醇替代率大于10% 之后，經(jīng)濟性隨替代率的增加而惡化。低負荷工況下，應減少甲醇替代率或采用純柴油模式［23］。

圖4 甲醇替代率對當量燃油消耗率和有效熱效率的影響

圖5 是1 600 r/min、不同負荷下甲醇替代率對最高燃燒壓力的影響。中、低負荷工況下，隨著甲醇替代率的增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力降低，最高燃燒壓力對甲醇替代率比較敏感。中高、高負荷工況下，缸內(nèi)最高燃燒壓力隨甲醇替代率的增加而升高，當甲醇替代率增加到30% 時，最高燃燒壓力為15.3 MPa，已接近發(fā)動機機械設計強度極限。甲醇燃料在進氣沖程通過進氣道噴入氣缸內(nèi)，甲醇燃料具有充足的時間進行蒸發(fā)和霧化，引燃前已形成均質的甲醇空氣混合氣。因此，適量的甲醇燃料加入有利于改善燃燒質量，提高有效熱效率和降低有效當量燃油消耗率。高負荷工況下，引燃柴油量較多，混合氣濃度高；另外，甲醇燃料混合氣燃燒速度是柴油的1.2 倍，隨著甲醇替代率增加，預混合燃燒比例增加，預混合燃燒速率升高，缸內(nèi)燃氣溫度和最高燃燒壓力升高。高負荷時，缸內(nèi)燃燒壓力和爆震限制甲醇替代率不宜過大。

圖5 1 600 r/min 下甲醇替代率對最高燃燒壓力的影響

圖6 是1 600 r/min、不同負荷下甲醇替代率對未燃HC 排放的影響。分析圖6 可知，不同負荷下未燃HC 排放隨甲醇替代率增加而升高，純柴油模式下未燃HC 排放極低。25% 負荷時，HC 排放隨替代率的增大而急劇增加，替代率10%、20%、30%、40% 和50% 下，未燃HC 排放分別是原機的6.3 倍、11.4 倍、17.3 倍、22.2 倍和27.6 倍。100%負荷時，未燃HC 排放隨甲醇替代率的變化減緩，30% 替代率時HC 排放僅為原機的5.9 倍。

圖6 1 600 r/min 下甲醇替代率對未燃碳氫排放的影響

雙燃料RCCI 模式下未燃HC 排放量大幅升高的主要原因是：甲醇汽化潛熱值高，隨甲醇替代率增加，缸內(nèi)初始燃燒溫度和最高燃燒溫度降低，不利于HC 氧化，使得總HC 排放增加；低負荷工況下，循環(huán)噴油量少，燃料容易與新鮮充量過度混合，導致缸內(nèi)混合氣過稀，燃燒溫度低，造成反應鏈斷裂，不完全燃燒產(chǎn)物增多；甲醇燃料停留在燃燒室中的時間比柴油長，因而過度稀燃、壁面冷激效應、狹隙效應、油膜吸附作用較大。這是導致柴油/甲醇RCCI 模式下總HC 排放升高的主要原因［24］。

圖7 為最大轉矩轉速下甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機甲醇替代率邊界及有效熱效率分布。甲醇/柴油RCCI 燃燒的負荷范圍及甲醇替代比例受到爆震、不完全燃燒和失火3 種不正常燃燒現(xiàn)象的限制［21］。中高負荷工況下，最大甲醇替代率工況是運行區(qū)域的爆震線。低負荷下甲醇的加入造成燃燒始點過度推遲，燃燒穩(wěn)定性差，CO 和總HC 排放較高。中、低負荷高替代率區(qū)域，引燃柴油量較小，甲醇對新鮮充量有冷卻作用且對柴油著火有抑制作用，易發(fā)生失火現(xiàn)象。高負荷工況下，當發(fā)動機最高燃燒壓力超過16 MPa 或排氣溫度超過700 ℃時，達到發(fā)動機熱負荷極限和機械設計強度極限。

圖7 1 600 r/min 時甲醇/柴油RCCI 燃燒運行范圍

在保證混合氣可靠著火與穩(wěn)定燃燒的前提下，提高甲醇替代率及降低污染物排放是提升甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機能效比和充分發(fā)揮RCCI 燃燒優(yōu)勢的關鍵。綜合分析圖2～圖7 可知，高負荷工況下，發(fā)動機經(jīng)濟性能和總HC 排放未隨替代率的增加而進一步惡化，但最高燃燒壓力已接近發(fā)動機的機械設計強度極限。甲醇燃料含氧量達50%，理論空燃比低，RCCI 模式下噴入甲醇后會產(chǎn)生稀釋效應，缸內(nèi)混合氣燃料燃燒所需的空氣量減少。此外，由于甲醇的可燃界限寬，氫碳比大，燃燒時排氣煙度極低。因此，RCCI 模式下可適當關小節(jié)氣門開度，探究通過降低最高燃燒壓力而拓寬高負荷下的甲醇替代率。

試驗研究發(fā)動機最大轉矩轉速（1 600 r/min）、負荷率100%、柴油預噴正時為上止點前18.0°（記為-18.0°，依此類推）、主噴正時為-3.8°時，節(jié)氣門開度（30%～100%）對發(fā)動機性能的影響。通過減小節(jié)氣門開度減少進氣流量，可降低缸內(nèi)最高燃燒壓力。最高燃燒壓力降低后，逐漸增加甲醇替代率，直至最高燃燒壓力接近16.5 MPa，排氣溫度接近700 ℃。

圖8 為1 600 r/min、100% 負荷下，節(jié)氣門開度對甲醇替代率、最高燃燒壓力、排氣溫度、有效當量能耗的影響。試驗結果表明，在維持最高燃燒壓力不超過16.5 MPa 和排氣溫度不超過700 ℃的前提下，隨著節(jié)氣門開度減小，最大甲醇替代率從30%提升到36%。甲醇替代率為34% 時，有效當量燃油消耗率較原機降低6.5%。高負荷工況下，適當關小節(jié)氣門開度，減少進氣流量，降低缸內(nèi)最高燃燒壓力，可有效提高最大甲醇替代率，改善發(fā)動機經(jīng)濟性能。

圖8 節(jié)氣門開度對甲醇替代率的影響

2.2 外特性工況下甲醇替代率對經(jīng)濟性的影響

圖9 為外特性工況、轉矩和功率維持一致的條件下，1 000 r/min～3 000 r/min 范圍內(nèi)甲醇替代率對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響。雙燃料模式下，有效當量燃油消耗率由甲醇燃料和柴油燃料的瞬時消耗量決定。由圖分析可知，不同轉速下雙燃料模式下的有效當量能耗始終低于純柴油模式。高轉速（2 800 r/min）下15%甲醇替代率時有效當量能耗較原機降低13%，有效熱效率增高7%。外特性工況下，發(fā)動機循環(huán)噴油量較多，缸內(nèi)混合氣較濃，隨著甲醇替代率增加，缸內(nèi)混合氣均勻性及燃燒質量改善，燃燒放熱率重心前移，等容度升高，且甲醇汽化吸熱使得燃燒溫度降低，傳熱損失減小，因此雙燃料模式下發(fā)動機有效當量能耗下降，有效熱效率升高。高速工況下燃燒溫度較高，雙燃料模式下有效熱效率提升的幅度減小。

圖9 外特性工況下甲醇替代率對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響

2.3 外特性工況下甲醇替代率對常規(guī)污染物的影響

圖10 為外特性工況下甲醇替代率對常規(guī)污染物排放的影響規(guī)律。不同轉速下，雙燃料模式的NOx排放和排氣煙度均低于純柴油模式，隨著甲醇替代率的增大，NOx排放和煙度未出現(xiàn)此消彼長（trade-off）現(xiàn)象，兩者均呈降低的趨勢；CO 和總HC排放量隨甲醇替代率的升高而增多。柴油/柴油二元燃料RCCI 燃燒策略屬于均勻稀薄混合氣多發(fā)性低溫燃燒方式，甲醇含碳量低，汽化潛熱值高，理論空燃比低，混合氣著火極限體積范圍寬，碳煙生成的高溫濃混合氣區(qū)和NOx生成的高溫稀混合氣區(qū)較小，且甲醇的加入使得進氣溫度降低及燃燒速度提高，縮短了高溫持續(xù)時間，柴油/甲醇RCCI 燃燒模式具有同時降低NOx與碳煙排放的優(yōu)勢。

圖10 外特性工況下常規(guī)污染物排放規(guī)律

總HC 和CO 是燃料未參與燃燒或不完全燃燒的產(chǎn)物，其排放主要取決于可燃混合氣的當量比及缸內(nèi)燃燒溫度。雙燃料模式下甲醇的加入會對混合氣產(chǎn)生稀釋效應，且燃燒溫度過低，易造成反應鏈斷裂，CO 與HC 等不完全燃燒產(chǎn)物增多。此外，雙燃料模式下甲醇燃料在進氣沖程噴入進氣道，不可避免存在掃氣、火焰壁面淬熄、狹隙效應等，導致未燃HC 排放增多。

圖11 是外特性工況下甲醇替代率對未燃甲醇和甲醛排放的影響規(guī)律。純柴油模式下未燃甲醇和甲醛排放量極低，隨轉速的變化不明顯。RCCI 模式下，隨甲醇替代率升高，未燃甲醇、甲醛排放量急劇增加。隨著發(fā)動機轉速升高，甲醇的排放量先減少后略微增多，甲醛排放量逐漸增高，高速工況下甲醛排放增高更明顯。發(fā)動機轉速從1 000 r/min 增到3 000 r/min，10%、15% 甲醇替代率下甲醛排放量分別增多66.7% 和62.5%，未燃甲醇排放量分別減少52.8% 和59.6%，中高轉速（2 200 r/min）下未燃甲醇排放量最低。

圖11 外特性工況下甲醇替代率對甲醇和甲醛排放的影響

甲醇排放源于未燃燒的甲醇燃料和燃燒反應生成物。未燃甲醇主要是來自于換氣過程、燃燒室內(nèi)未燃燒的混合氣、狹縫中存在的甲醇等［25］。低速工況下柴油噴射量較小，缸內(nèi)燃燒溫度較低，且缸內(nèi)氣流運動弱，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，造成未參與燃燒的甲醇增多。隨著轉速增高，進氣壓力和缸內(nèi)燃燒溫度提高促進甲醇氧化分解，未燃甲醇排放量降低。高轉速下由于燃燒及時性差，導致未燃甲醇排放量略微升高。

甲醛是HC 未完全氧化的中間產(chǎn)物，是柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機排氣中最重要的羰基排放污染物之一。柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機排氣中的甲醛一部分來自燃燒室，一部分在排氣管中形成。發(fā)動機在低負荷運行時，燃燒室壁面溫度較低，形成的淬熄層較厚，而淬熄層是低溫氧化反應的溫床，淬熄層中存在大量醛類，同時已燃氣體溫度較低，氧化作用較弱，甲醇脫氫反應后的主要產(chǎn)物CH2OH 和CH3O 氧化后形成甲醛。此外，尾氣中的未燃甲醇在排氣管中因停留時間長及氧濃度高而氧化為甲醛。隨著轉速升高，氣體在缸內(nèi)和排氣管中的流動速度增大，甲醛在燃燒室和排氣管中參與反應的時間縮短，部分甲醛還未來得及參與反應便被排出，導致中高速工況甲醛排放量增多。

圖12 為外特性工況下甲醇替代率對NMHC 和CO2排放的影響規(guī)律。

圖12 外特性工況甲醇替代率對NMHC、CO2 排放的影響

NMHC 是指除甲烷（CH4）外的總HC 的總稱［26］，主要成分是C2～C8。NMHC 來自柴油燃料，隨著甲醇替代率增大，柴油噴射量減少，且甲醇脫氫反應和氧化反應的自由基產(chǎn)物（OH·）有利于HC 的氧化分解，使NMHC 排放降低，低轉速工況降幅更加明顯。相同甲醇替代率下，隨著發(fā)動機轉速升高，NMHC 排放量減少。15% 甲醇替代率下，1 000 r/min 時NMHC 排放量較純柴油模式降低60.6%，3 000 r/min 時NMHC 排放較純柴油模式減少81.8%。中、高轉速下，缸內(nèi)燃燒溫度較高，有利于HC 的分解和氧化。

同一轉速下，隨著甲醇替代率的增加，CO2排放降低。等熱值條件下，柴油含碳量為C10～C21，而甲醇僅含一個碳原子，雙燃料模式下噴入甲醇燃料而減少柴油噴射量有利于降低碳排放。不同甲醇替代率下，CO2排放量隨轉速的增加而降低，15% 甲醇替代率時，發(fā)動機轉速從1 000 r/min 升至3 000 r/min，CO2排放量降低21.4%。柴油機在高速運行時，其過量空氣系數(shù)較低，難以在很短的時間內(nèi)組織良好的混合氣及燃燒過程，不利于完全燃燒，故CO 和碳煙排放增多，CO2排放量相應減少。

3 結論

（1）最大轉矩轉速1 600 r/min、不同負荷下，有效當量燃油消耗率和有效熱效率隨甲醇替代率的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢。25%～50% 負荷率范圍甲醇替代率為10% 時發(fā)動機經(jīng)濟性最佳，隨著甲醇替代率繼續(xù)增大，有效熱效率降低，有效當量燃油消耗率升高。50%～100% 負荷率范圍，隨著甲醇替代率的增加，有效熱效率升高，有效當量燃油消耗率降低。100% 負荷、30% 替代率時，與原機相比，有效熱效率提高9.4%，有效當量燃油消耗率降低6.2%。

（2）1 600 r/min、不同負荷工況下，最大甲醇替代率受爆震、失火現(xiàn)象、不完全燃燒及發(fā)動機熱負荷極限和機械設計強度限制；中高、高負荷工況下，缸內(nèi)最高燃燒壓力較高，甲醇替代率過大易發(fā)生爆震；中、低負荷工況下，甲醇替代率過大易發(fā)生失火現(xiàn)象，燃燒穩(wěn)定性差，CO 和總HC 排放較高。

（3）1 600 r/min、100% 負荷下，隨節(jié)氣門開度減小，最大甲醇替代率從30% 提升到36%。甲醇替代率為34% 時，有效當量燃油消耗率比原機降低6.5%。高負荷工況下，適當關小節(jié)氣門開度，減少進氣流量，降低缸內(nèi)最高燃燒壓力，可有效提高最大甲醇替代率，改善發(fā)動機經(jīng)濟性能。

（4）外特性工況下，隨發(fā)動機轉速增加，未燃甲醇、NMHC、CO2排放降低，甲醛排放先略微減少后逐漸增多。同一轉速下，隨甲醇替代率增加，未燃甲醇和甲醛排放量增加，NMHC 和CO2排放降低。柴油/甲醇RCCI 燃燒模式有利于降低CO2排放。