某柴油-甲醇雙燃料重型發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)研究*

李海慶 殷海紅 于翠玉 肖有強(qiáng)

（1-濰坊職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 山東 濰坊262737 2-內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3-濰柴動(dòng)力股份有限公司）

引言

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用柴油作為燃料，特別是重型發(fā)動(dòng)機(jī)。近十幾年新型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展迅速，其中甲醇也作為一種新型燃料與柴油一起作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，這種柴油-甲醇組合燃燒（DMCC-Diesel/Methanol Compound Combustion），能夠同時(shí)降低柴油機(jī)碳煙和NOx排放[1]。組合燃燒方式按照發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行階段和運(yùn)行工況等來選擇柴油和甲醇作為燃料，一般發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)階段、暖機(jī)階段和低速及小負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然采用單一的柴油進(jìn)行擴(kuò)散燃燒，而在中負(fù)荷工況以后，甲醇從進(jìn)氣管噴入，與空氣均勻混合形成預(yù)燃混合氣，進(jìn)入氣缸后再由柴油進(jìn)行引燃，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒擴(kuò)散燃燒。這種燃燒方式不僅可以保持原傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)的優(yōu)勢，又可以減少低速和低負(fù)荷工況未燃HC、醛類等有害物的排放，同時(shí)也降低中負(fù)荷工況碳煙和NOx的排放。但是這種組合燃燒的關(guān)鍵問題是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況對甲醇噴射量的精確控制。若甲醇噴射過多，會(huì)使燃燒溫度降低過多，柴油引燃困難，會(huì)造成燃燒不充分，未燃HC 排放過多，發(fā)動(dòng)機(jī)還會(huì)排出大量藍(lán)煙，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)喘振和熄火；若甲醇噴射過少，導(dǎo)致甲醇的作用降低，達(dá)不到降低碳煙和NOx等排放的效果。國內(nèi)外對柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究[2-3]、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放研究[4-8]以及雙燃料整車的推廣與應(yīng)用[9]做了大量的研究，為柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和研究方向。

1 柴油機(jī)試驗(yàn)儀器和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)用柴油機(jī)

試驗(yàn)所用的WP10SM280 柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在WD615.50 柴油機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。它保留了原WD615 系列柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，增加了燃料共軌管、噴醇器、ECU 等甲醇燃料供給系統(tǒng)。燃料共軌管安裝在進(jìn)氣歧管上方，噴醇器安裝在燃料共軌管上，再插入進(jìn)氣歧管內(nèi)，同時(shí)進(jìn)氣管的各歧管加長，增加了噴醇器安裝孔和燃料共軌管安裝孔。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)用測試設(shè)備

試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)控制和測試儀器如表2 所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制和測試的儀器

2 試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)分別采用純柴油和柴油-甲醇雙燃料進(jìn)行外特性試驗(yàn)和WHTC 排放試驗(yàn)，對比其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。其中包括對甲醇的合理控制和燃燒優(yōu)化，研究分析甲醇燃料的特性對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)力性對比分析

如圖1 所示，柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性增加了，特別是低速工況，最高提升5%，使得轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化比較小，表現(xiàn)在曲線上比較平坦，轉(zhuǎn)矩儲備能力增強(qiáng)。但在2 200 r/min 額定工況兩者的轉(zhuǎn)矩大小幾乎相同，這是因?yàn)樵陬~定轉(zhuǎn)速下由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度的限制，甲醇的噴射量不宜過大，功率增加的幅度也不宜過大。

圖1 純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩對比圖

3.2 經(jīng)濟(jì)性對比分析

如圖2 所示，在同一工況下，柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量比原機(jī)的還要小，這是由于柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)向進(jìn)氣道噴射了一定量的甲醇，形成的均質(zhì)混合氣被燃燒的柴油點(diǎn)燃，燃燒充分，燃燒效率增加，做功能力增強(qiáng)，不僅提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，也降低了燃料的消耗量。

圖2 純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外特性油耗量對比圖

3.3 排放性對比分析

3.3.1 NOx排放對比

對純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)分別進(jìn)行了WHTC 排放試驗(yàn)，其中NOx的試驗(yàn)結(jié)果對比如圖3 所示，可以看出，三次WHTC 排放試驗(yàn)NOx排放物都是柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低。NOx排放物的生成需要三個(gè)條件即為高溫、富氧和高溫的持續(xù)時(shí)間。柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)由于增加了甲醇這種燃料，而甲醇本身有汽化作用，當(dāng)在進(jìn)氣管噴入甲醇后，由于甲醇的汽化作用可以降低進(jìn)氣溫度，從而降低了缸內(nèi)最高燃燒溫度，打破了NOx排放物生成的高溫條件，從而使NOx減少。但同時(shí)甲醇又屬于含氧燃料，而富氧的條件又有利于NOx排放物的生成。故甲醇的噴射量以及缸內(nèi)燃燒情況都對NOx排放產(chǎn)生影響。

圖3 純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx 排放物對比圖

第一次WHTC 排放試驗(yàn)結(jié)果NOx值比第二次高，這是因?yàn)樵诘诙蜽HTC 排放試驗(yàn)中增加了甲醇的噴射量，進(jìn)一步降低了進(jìn)氣溫度，使最高燃燒溫度下降，從而使NOx排放量減少，NOx排放量由5.6 g/（kW·h）降到5.5 g/（kW·h），下降了1.8%。為了進(jìn)一步降低NOx排放，在第三次WHTC 排放試驗(yàn)中將噴油提前角由9°CA 降為7°CA，推遲噴油可以降低最高燃燒溫度和燃燒壓力，使得燃燒變得柔和，從而降低NOx生成量，NOx排放物降為4.8 g/（kW·h），又下降了12.7%。通過合理控制甲醇噴射量和燃燒優(yōu)化能夠有效降低NOx排放物，柴油-甲醇雙燃料比純柴油能夠降低NOx排放物高達(dá)26%。

3.3.2 HC 和CO 排放對比

純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的WHTC 排放試驗(yàn)中HC 排放物的對比結(jié)果如圖4 所示，可以看出，柴油-甲醇雙燃料較純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)HC 排放物呈現(xiàn)指數(shù)倍增加。HC 排放主要是由于不完全燃燒造成的，柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)造成HC 排放增加的原因主要有三點(diǎn)，一是甲醇噴射方式采用連續(xù)噴射，一部分甲醇有可能還沒來得及參與燃燒就直接被排出；二是進(jìn)入氣缸中的甲醇不能足以被柴油引燃，造成甲醇燃燒不充分；三是由于甲醇的加入使得壁面淬熄、狹隙效應(yīng)以及潤滑油膜的吸附和析出等未燃HC 增多。

圖4 純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)HC 排放物對比圖

CO 排放物的對比結(jié)果如圖5 所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，柴油-甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)CO 的排放明顯高于純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這是因?yàn)榧儾裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)的柴油在燃燒時(shí)，其中的碳首先生成CO 排放物，在有足夠的氧、溫度及反應(yīng)條件下，CO 氧化生成CO2，而柴油-甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在噴射甲醇后由于甲醇汽化作用，使得氣缸內(nèi)氣體溫度降低，氧化作用變?nèi)?，從而使CO 排放升高。

圖5 純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CO 排放物對比圖

基于柴油-甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)對HC 和CO 排放增加太大，在排氣管后加裝后處理器（氧化催化轉(zhuǎn)化器），驗(yàn)證能否通過后處理器降低HC 和CO 的排放。如圖6和圖7 所示，通過加裝后處理器可以有效地降低HC和CO，其中HC 的降低非常明顯，故柴油-甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)HC 和CO 的排放可以通過后處理器來降低。

圖6 純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)帶后處理HC 排放物對比圖

圖7 純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)帶后處理CO 排放物對比圖

3.3.3 PM 排放對比

純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的WHTC 排放試驗(yàn)中PM 排放物的對比結(jié)果如圖8 所示，柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能有效降低PM，最高達(dá)45%。這是因?yàn)椴裼?甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，增加了有汽化能力的甲醇，可以有效降低缸內(nèi)最高溫度，從而降低PM 排放；同時(shí)甲醇屬含氧燃料，增加與碳燃燒的機(jī)率，有利于阻止PM 的生成。

圖8 純柴油和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)PM 排放物對比圖

4 結(jié)論

通過對純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及WHTC 排放試驗(yàn)結(jié)果對比，得到以下結(jié)論：

1）與純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能夠提高低轉(zhuǎn)速工況的轉(zhuǎn)矩，還降低了燃料消耗量，在提高動(dòng)力性的同時(shí)，還保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

2）與純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)降低NOx和PM 排放物，NOx排放物能下降26%，PM 排放下降45%。

3）與純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)HC 和CO 排放物有了很大的提高，但可以通過在排氣管后加裝后處理器（氧化催化轉(zhuǎn)化器）可以有效的降低HC 和CO 排放。