186F柴油機(jī)柴油/甲醇不同摻燒方式的試驗(yàn)研究

陳梓含，王 忠，李瑞娜，劉 帥，李立琳

（1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

0 引言

柴油機(jī)具有熱效率高和動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，因此，柴油載貨汽車一直在長途運(yùn)輸領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。我國石油資源短缺，且國家對(duì)柴油機(jī)污染物排放的要求越來越高，發(fā)展清潔能源是解決上述問題的一個(gè)重要方向[2]。

甲醇是一種清潔替代燃料，屬于可再生能源。柴油機(jī)摻燒甲醇，可以有效降低NOx和碳煙的排放，并在一定程度上改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況。目前，柴油/甲醇機(jī)外混合和氣道噴射甲醇是甲醇在柴油機(jī)上應(yīng)用的兩種主要方式。柴油/甲醇機(jī)外混合方式是在機(jī)外將甲醇與柴油混合，均質(zhì)燃料噴入缸內(nèi)，然后進(jìn)行柴油和甲醇的霧化，并與空氣混合；氣道噴射甲醇方式是將甲醇噴入柴油機(jī)進(jìn)氣道，在進(jìn)氣道完成甲醇與空氣的充分混合，柴油以缸內(nèi)直噴的方式噴入甲醇均質(zhì)混合氣中。摻燒方式不同，甲醇的摻燒比例也不相同。進(jìn)行不同摻燒方式的差異性試驗(yàn)，有助于甲醇在柴油機(jī)上的推廣應(yīng)用。

近年來，眾多科研工作者圍繞柴油機(jī)氣道噴射甲醇和柴油/甲醇機(jī)外混合兩種摻燒方式，進(jìn)行了一系列燃燒、排放以及摻燒比例的試驗(yàn)研究。Canakci M[3]進(jìn)行了柴油/甲醇機(jī)外混合燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著甲醇摻燒比例的增加，柴油機(jī)的最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值均升高，提高噴射壓力有助于縮短滯燃期。Le Ning[4]進(jìn)行了柴油/甲醇機(jī)外混合燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，延遲甲醇噴射時(shí)間，柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力峰值升高，最大放熱率降低。姚春德[5]進(jìn)行了柴油機(jī)氣道噴射甲醇試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著甲醇摻燒比例的增加，NOx的排放量逐漸減少，THC和CO的排放量逐漸上升，CO2的排放量低于原機(jī)。Hui Wang[6]在船用柴油機(jī)上進(jìn)行了進(jìn)氣道噴射甲醇試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，柴油機(jī)的污染物排放水平符合國家二級(jí)法規(guī)的要求。王利軍[7]在單缸柴油機(jī)上開展了研究甲醇摻燒比例的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)能耗率最低的要求，最佳甲醇摻燒比例為55%～60%，受發(fā)動(dòng)機(jī)壓力升高率的限制，甲醇摻燒比例不宜超過70%。王帥[8]通過Matlab編寫的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序模擬了柴油機(jī)輸入輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并利用遺傳算法程序?qū)状紘娚淞浚∕AP）尋優(yōu)，結(jié)果表明，優(yōu)化后得到的MAP比原機(jī)提高了24.3%，碳煙排放量降低了7.5%，同時(shí)消除了循環(huán)變動(dòng)。陳超[9]在高負(fù)荷下進(jìn)行了甲醇替代率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在高負(fù)荷下采用廢氣再循環(huán)技術(shù)，可將甲醇最大替代率從30%～50%提高至66%～75%，并降低最高燃燒壓力和壓力升高率，改善燃油消耗率。

本文在一臺(tái)186F柴油試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了氣道噴射甲醇與柴油/甲醇機(jī)外混合兩種甲醇摻燒方式（甲醇摻燒比相同）的性能試驗(yàn)，著重對(duì)兩種甲醇摻燒方式的燃燒過程和污染物排放情況進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行最大爆發(fā)壓力和最大壓力升高率隨甲醇摻燒比變化的試驗(yàn)，以確定兩種甲醇摻燒方式的摻燒比范圍。研究結(jié)果展現(xiàn)了兩種甲醇摻燒方式在燃燒和排放上的差異性，確定了甲醇摻燒比范圍，有助于甲醇在柴油機(jī)上的推廣應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在186F柴油試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，柴油機(jī)的型式為單缸、4沖程直噴式自然吸氣，缸徑×行程為86mm×72mm，壓縮比為19，標(biāo)定功率為6.3 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3000r/min，最大扭矩轉(zhuǎn)速為1800r/min。在柴油機(jī)進(jìn)氣管處加裝一套自主開發(fā)的甲醇噴射系統(tǒng)，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。甲醇噴射電子控制單元（ECU）通過霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采集轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過信號(hào)盤判斷柴油機(jī)上止點(diǎn)。需要噴醇時(shí)，通過上位機(jī)設(shè)置噴醇脈寬和正時(shí)，驅(qū)動(dòng)噴醇器工作。噴醇器的噴醇系數(shù)為5mg/ms，脈寬可調(diào)為0～30ms，分辨率為0.01ms，可連續(xù)多次噴射。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system device

1.2 檢測設(shè)備

利用DEWE-800型燃燒分析儀采集柴油機(jī)氣缸壓力，進(jìn)行燃燒過程分析；采用FGA-4100型汽車排氣分析儀測量NOx，CO和HC的排放量（以體積分?jǐn)?shù)表征）；利用FBY-201型全自動(dòng)濾紙式煙度計(jì)測量煙度（表征碳煙排放量）。

1.3 試驗(yàn)方法

甲醇摻燒比K定義為甲醇摻燒質(zhì)量與柴油和甲醇摻燒質(zhì)量之和的比值，其計(jì)算式為

式中：Bm和Bd分別為甲醇摻燒質(zhì)量和柴油摻燒質(zhì) 量，g。

為了使試驗(yàn)更具有實(shí)際參考意義，選取柴油/甲醇機(jī)外混合應(yīng)用最多，且滿足各個(gè)工況使用的10%作為甲醇摻燒比。對(duì)于柴油/甲醇機(jī)外混合，由于柴油/甲醇互溶性較差，在量取質(zhì)量比為1∶9的甲醇和柴油置于燃料箱中后，通過玻璃棒不斷攪拌使兩種燃料混合均勻。純柴油燃燒試驗(yàn)記為D，柴油/甲醇機(jī)外混合試驗(yàn)記為DM-10，氣道噴射甲醇試驗(yàn)記為DM-IJ10。本次試驗(yàn)所用柴油為市售0#國五柴油，甲醇為市售純度為99.8%的無水甲醇。柴油和甲醇的熱值分別為42.5，19.7 MJ/kg，汽 化 潛 熱 分 別 為270，1178kJ/kg，運(yùn) 動(dòng) 粘度（20℃）分 別 為3.7，0.58mm2/s。

考慮到柴油機(jī)燃燒試驗(yàn)結(jié)果在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的可借鑒性，且為了避免燃燒不穩(wěn)定，選擇186F柴油機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速 （1800r/min）下的4個(gè)負(fù)荷（2.1，5.0，10.1，15.8N·m）為 研 究 工 況，進(jìn) 行 兩 種不同摻燒方式以及純柴油的燃燒和排放試驗(yàn)；選取最大扭矩轉(zhuǎn)速（1800r/min）和標(biāo)定轉(zhuǎn)速（3000 r/min）下 的 兩 個(gè) 負(fù) 荷（5.0，15.8N·m）為 研 究 工況，測量不同甲醇摻燒比下的最大爆發(fā)壓力和最大壓力升高率，以確定甲醇摻燒比范圍。在柴油/甲醇機(jī)外混合試驗(yàn)中，甲醇摻燒比分別為15%，20%和25%，分別記為DM-15，DM-20和DM-25；在氣道噴射甲醇試驗(yàn)中，甲醇摻燒比分別為30%，40%和50%，分別 記為DM-IJ30，DMIJ40和DM-IJ50。甲醇摻燒范圍的確定原則：柴油機(jī)最大爆發(fā)壓力降幅不超過5%，最大壓力升高 率 不 超 過0.6MPa/°CA。

2 燃燒特性分析

2.1 缸內(nèi)壓力

在最大扭矩轉(zhuǎn)速下，純柴油和兩種甲醇摻燒方式燃燒時(shí)的柴油機(jī)缸內(nèi)壓力如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力Fig.2 In-cylinder pressure of the diesel engine

從圖2可以看出：在低負(fù)荷時(shí)，兩種摻燒方式的最大爆發(fā)壓力基本相同；在高負(fù)荷時(shí)，氣道噴射甲醇的最大爆發(fā)壓力比柴油/甲醇機(jī)外混合提高了0.11MPa；在低負(fù)荷時(shí)，兩種摻燒方式的最大爆發(fā)壓力比燃燒純柴油略有下降，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角滯后；在高負(fù)荷時(shí)，兩種摻燒方式的最大爆發(fā)壓力分別比燃燒純柴油提高了0.21，0.32 MPa，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角提前。這是由于甲醇的汽化潛熱顯著高于柴油，在低負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)的缸內(nèi)溫度較低，摻燒甲醇會(huì)使缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力下降；在高負(fù)荷時(shí)，隨著燃料噴射量的增加，缸內(nèi)溫度升高，汽化潛熱的作用下降，而甲醇中的氧對(duì)燃燒有促進(jìn)作用，使得燃燒持續(xù)期縮短，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力提高。氣道噴射甲醇可使混合氣更加均勻，燃燒速度更快，因此，在高負(fù)荷時(shí)，氣道噴射甲醇的最大爆發(fā)壓力高于柴油/甲醇機(jī)外混合。

2.2 燃燒放熱率

在最大扭矩轉(zhuǎn)速下，純柴油和兩種甲醇摻燒方式燃燒時(shí)的柴油機(jī)放熱率如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)的放熱率Fig.3 Heat release rate of the diesel engine

從圖3可以看出：與柴油/甲醇機(jī)外混合相比，氣道噴射甲醇的放熱率峰值更高，燃燒持續(xù)期縮短；在低負(fù)荷時(shí)，兩種摻燒方式的放熱率峰值分別比燃燒純柴油提高了26.7%和38.4%，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角滯后；在高負(fù)荷時(shí)，兩種摻燒方式的放熱率峰值分別比燃燒純柴油提高了8.7%和17.5%，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角提前。這是因?yàn)橄啾扔诩儾裼腿紵?，摻燒甲醇燃燒的持續(xù)期縮短，放熱更加集中，甲醇燃燒速度快，一旦發(fā)生著火，混合氣同時(shí)燃燒，大量熱量在短時(shí)間內(nèi)釋放[10]；對(duì)于氣道噴射甲醇，在混合氣進(jìn)入氣缸前，氣道中霧化的甲醇已經(jīng)和空氣充分混合，比柴油/甲醇機(jī)外混合的混合氣更加均質(zhì)，燃燒放熱率峰值更高。在低負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度較低，甲醇汽化潛熱作用明顯，抑制了柴油的低溫放熱反應(yīng)；同時(shí)，甲醇十六烷值較低，不利于著火，隨著負(fù)荷增加，摻燒甲醇對(duì)著火延遲期的影響減弱。

2.3 缸內(nèi)平均溫度

在最大扭矩轉(zhuǎn)速下，純柴油和兩種甲醇摻燒方式燃燒時(shí)的柴油機(jī)缸內(nèi)平均溫度如圖4所示。

圖4 柴油機(jī)的缸內(nèi)平均溫度Fig.4 Average in-cylinder temperature of the diesel engine

從圖4可以看出：與柴油/甲醇機(jī)外混合相比，在低負(fù)荷時(shí)，氣道噴射甲醇的缸內(nèi)平均溫度更低，在高負(fù)荷時(shí)，兩者的缸內(nèi)平均溫度的差值減小；與燃燒純柴油相比，在低負(fù)荷時(shí)，兩種摻燒方式的缸內(nèi)平均溫度均更低，隨著負(fù)荷的增加，兩種摻燒方式的缸內(nèi)平均溫度均有所升高，這與前面的缸內(nèi)壓力及放熱率的變化規(guī)律相符。這是由于甲醇的汽化潛熱較高，在燃燒發(fā)生之前，在甲醇汽化潛熱的作用下，缸內(nèi)的初始溫度相差較大，其中摻燒甲醇的缸內(nèi)初始溫度低于純柴油模式，且低負(fù)荷時(shí)更加明顯。對(duì)于氣道噴射甲醇，甲醇從進(jìn)氣道進(jìn)入，混合氣溫度降低更多，缸內(nèi)初始溫度最低；在高負(fù)荷時(shí)，隨著噴射燃料的增多，燃燒更加充分，缸內(nèi)初始溫度均有所提高，甲醇汽化潛熱的作用降低，同時(shí)甲醇的含氧特性促進(jìn)了燃燒，使得兩種摻燒方式的缸內(nèi)平均溫度均有所上升。

3 排放特性分析

3.1 HC排放

在最大扭矩轉(zhuǎn)速下，純柴油和兩種甲醇摻燒方式燃燒時(shí)的柴油機(jī)HC排放情況如圖5所示。

圖5 柴油機(jī)的HC排放情況Fig.5 HC emissions from the diesel engine

從圖5可以看出：與柴油/甲醇機(jī)外混合相比，在中低負(fù)荷下，氣道噴射甲醇的HC排放量更高，在高負(fù)荷下，兩者的HC排放量基本相同；與純柴油燃燒相比，兩種摻燒方式的HC排放量均明顯升高，隨著負(fù)荷的增加，兩種摻燒方式的HC排放量均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。這是由于甲醇摻燒比較小，缸內(nèi)混合氣較稀，低負(fù)荷下引燃的柴油不足以將混合氣全部燒盡，同時(shí)甲醇的汽化潛熱作用使得缸內(nèi)溫度降低，燃燒不充分，HC的排放量會(huì)顯著高于純柴油模式；隨著負(fù)荷的增加，噴油量增加，使得缸內(nèi)燃燒溫度升高，甲醇汽化潛熱的作用降低，缸內(nèi)燃燒更完全，使得HC排放量下降。對(duì)于氣道噴射甲醇，甲醇在進(jìn)氣道完成與空氣的充分混合，缸內(nèi)溫度比柴油/甲醇機(jī)外混合更低；在發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程中，一部分甲醇可能還沒有參與燃燒就直接被排出，從而使得HC的排放量更高[11]。

3.2 CO排放

在最大扭矩轉(zhuǎn)速下，純柴油和兩種甲醇摻燒方式燃燒時(shí)的柴油機(jī)CO排放情況如圖6所示。

圖6 柴油機(jī)的CO排放情況Fig.6 CO emissions from the diesel engine

從圖6可以看出：與柴油/甲醇機(jī)外混合相比，氣道噴射甲醇的CO排放量明顯更高；兩種摻燒方式的CO排放量均明顯高于純柴油燃燒；隨著負(fù)荷的增加，兩種摻燒方式的CO排放量明顯降低。這是由于CO是烴類燃料燃燒的中間產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物之一，其生成過程為RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO（R代 表 烴 基），在 后 續(xù) 燃燒過程中CO逐漸被OH氧化成CO2，即CO+OH?CO2+H，氧 化 速 率 為6.76×1010exp（T/1102）（T為溫度），所以溫度對(duì)CO生成的影響較大[12]，[13]。摻燒甲醇后，甲醇的汽化潛熱作用會(huì)降低缸內(nèi)平均溫度（低負(fù)荷時(shí)更加明顯），使得缸內(nèi)不完全燃燒現(xiàn)象增加，CO排放量增加；氣道噴射甲醇的缸內(nèi)溫度更低，所以其CO排放量高于柴油/甲醇機(jī)外混合。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，噴油量增加，甲醇汽化潛熱的作用降低以及柴油引燃量的增加使得燃料燃燒更充分，缸內(nèi)溫度上升，缸內(nèi)燃燒更充分，使得CO排放量下降。

3.3 NOx排放

在最大扭矩轉(zhuǎn)速下，純柴油和兩種甲醇摻燒方式燃燒時(shí)的柴油機(jī)NOx排放情況如圖7所示。

圖7 柴油機(jī)的NOx排放情況Fig.7 NOx emissions from the diesel engine

從圖7可以看出：與柴油/甲醇機(jī)外混合相比，氣道噴射甲醇降低NOx排放的作用更明顯；與純柴油燃燒相比，兩種摻燒方式均有降低NOx排放的作用，且隨著負(fù)荷的增加，降低NOx排放的作用 有所減弱。這是因?yàn)镹Ox是高溫富氧產(chǎn)物，柴油機(jī)摻燒甲醇會(huì)降低缸內(nèi)溫度，抑制NOx的產(chǎn)生，同時(shí)甲醇的含氧特性會(huì)增加NOx的排放。在低負(fù)荷時(shí)，甲醇汽化潛熱的作用較為突出，摻燒甲醇可使NOx的排放量明顯降低；隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)溫度升高，汽化潛熱的作用減弱，混合氣的含氧量增加，摻燒甲醇降低NOx排放的作用減弱。相比于柴油/甲醇機(jī)外混合，氣道噴射甲醇能夠在柴油進(jìn)入氣缸之前，在進(jìn)氣道內(nèi)形成均質(zhì)的甲醇預(yù)混合氣，降低缸內(nèi)溫度的效果更明顯，燃燒速度更快，高溫持續(xù)時(shí)間更短，降低NOx排放的效果更好。

3.4 碳煙排放

在最大扭矩轉(zhuǎn)速下，純柴油和兩種甲醇摻燒方式燃燒時(shí)的柴油機(jī)碳煙排放情況如圖8所示。

圖8 柴油機(jī)的碳煙排放情況Fig.8 Soot emissions from the diesel engine

從圖8可以看出：在低負(fù)荷時(shí)，兩種摻燒方式的碳煙排放相差不大，隨著負(fù)荷的增加，氣道噴射甲醇降低碳煙排放的作用更顯著；相對(duì)于純柴油燃燒，兩種摻燒方式均能降低碳煙排放。碳煙易在高溫缺氧的環(huán)境下生成，甲醇汽化潛熱較高和含氧的特性是降低碳煙生成的主要原因。導(dǎo)致碳煙氧化的主要物質(zhì)有OH，O和O2，在燃燒初期，甲醇發(fā)生的主要反應(yīng)是分解產(chǎn)生大量自由基OH，在柴油燃燒反應(yīng)生成的各種中間產(chǎn)物中，最易形成碳核的前驅(qū)體乙炔（C2H2）與OH反應(yīng)的活化能最低，反應(yīng)最為迅速，使碳煙的生成受到抑制[14]。在低負(fù)荷下，甲醇-空氣混合氣較稀，引燃的柴油量相對(duì)于高負(fù)荷時(shí)較少，燃燒條件差，降低碳煙排放的幅度較小[15]。在高負(fù)荷下，對(duì)于氣道噴射甲醇，混合氣更加均勻，燃燒更加充分，有利于減少碳煙的生成。

4 摻燒比范圍確定

在最大扭矩轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，純柴油和兩種甲醇摻燒方式燃燒時(shí)的柴油機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力如表1所示，最大壓力升高率如表2所示。

表1 不同甲醇摻燒比下的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力Table1Maximum in-cylinder burst pressure at different methanol blending ratios MPa

表2 不同甲醇摻燒比下的缸內(nèi)最大壓力升高率Table2Maximum in-cylinder pressure rise rate at different methanol blending ratios MPa/°CA

以表1，2中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以柴油機(jī)最大爆發(fā)壓力降幅不高于5%，最大壓力升高率不超過0.6MPa/°CA為原則，通過插值計(jì)算可知：①在最大扭矩轉(zhuǎn)速下，當(dāng)采用柴油/甲醇機(jī)外混合摻燒方式時(shí)，低負(fù)荷時(shí)的甲醇摻燒比應(yīng)小于16%，高負(fù)荷時(shí)的甲醇摻燒比不超過23%；當(dāng)采用氣道噴射甲醇摻燒方式時(shí)，低負(fù)荷時(shí)的甲醇摻燒比應(yīng)小于32%，高負(fù)荷時(shí)的甲醇摻燒比不超過36%；②在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)采用柴油/甲醇機(jī)外混合摻燒方式時(shí)，低負(fù)荷時(shí)的甲醇摻燒比應(yīng)小于20%，高負(fù)荷時(shí)的甲醇摻燒比不超過15%；當(dāng)采用氣道噴射甲醇摻燒方式時(shí)，低負(fù)荷時(shí)的甲醇摻燒比應(yīng)小于45%，高負(fù)荷時(shí)的甲醇摻燒比不超過24%。

5 結(jié)論

①在低負(fù)荷時(shí)，與柴油/甲醇機(jī)外混合相比，氣道噴射甲醇的放熱率峰值增加了12.7%，燃燒持續(xù)期縮短，缸內(nèi)平均溫度降幅明顯，CO和HC的排放量更高，兩者的最大爆發(fā)壓力基本相同；在高負(fù)荷時(shí)，與柴油/甲醇機(jī)外混合相比，氣道噴射甲醇的最大爆發(fā)壓力提高了0.11MPa，放熱率峰值增加了7.9%，降低NOx和碳煙排放的效果更顯著，兩者的缸內(nèi)平均溫度差值減小，。

②以柴油機(jī)最大爆發(fā)壓力降幅不高于5%，最大壓力升高率不超過0.6MPa/°CA為原則，確定了兩種甲醇摻燒方式在最大扭矩轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的甲醇摻燒比范圍。其中，氣道噴射甲醇方式的甲醇摻燒比在各工況下可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，性能優(yōu)勢(shì)會(huì)高于柴油/甲醇機(jī)外混合方式。