甲醇替代率對甲醇/柴油雙直噴發(fā)動機性能的影響

尹曉軍,任憲豐, 2,欒建偉, 2,段浩,汪映,曾科

(1. 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安; 2. 濰柴動力股份有限公司,261041,山東濰坊)

柴油機因其高熱效率和可靠的動力性,被廣泛應(yīng)用于交通運輸和工程機械等領(lǐng)域[1]。柴油機排氣中的氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氫(HC)和碳煙排放不僅會對環(huán)境造成污染,而且危害人類的身體健康。隨著我國“雙碳”目標的提出和排放法規(guī)的更新,尋找先進的燃燒模式和合適的替代燃料成為發(fā)動機研究領(lǐng)域的熱點[2]。其中,雙燃料燃燒模式通常采用兩種物理化學(xué)性質(zhì)互補的燃料,能夠?qū)崿F(xiàn)高效清潔燃燒,具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。該模式下,可以通過燃料的噴射比例來調(diào)節(jié)燃料的反應(yīng)性,也可以通過噴射策略和燃料混合氣的形成過程來控制活性梯度[5]。研究表明:在活性反應(yīng)可控的情況下,通過調(diào)節(jié)燃燒狀態(tài)能夠有效提高熱效率、降低排放[6-7]。

高、低活性燃料通過兩個獨立的噴射系統(tǒng)直接噴入氣缸,可以在時間和空間上形成活性和濃度的可控分層,從而實現(xiàn)燃燒狀態(tài)的調(diào)整和優(yōu)化。呂興才等[8-9]基于缸內(nèi)雙直噴模式開展了相關(guān)研究,結(jié)果表明,作為一種高效、清潔的壓縮點火發(fā)動機燃燒技術(shù),雙燃料缸內(nèi)直噴模式的甲醇替代率和熱效率高度依賴于發(fā)動機的負荷。鑒于當前國內(nèi)外鮮有關(guān)于雙直噴發(fā)動機運行范圍的報道,有必要系統(tǒng)研究雙直噴燃燒模式的運行范圍,探索甲醇替代率對雙直噴發(fā)動機熱效率和排放特性的影響,從而為實際發(fā)動機的設(shè)計過程提供理論指導(dǎo)。本文在一臺單缸發(fā)動機上開展了甲醇/柴油雙直噴燃燒模式的試驗研究,重點探討了基于發(fā)動機負荷率和甲醇替代率下雙直噴發(fā)動機的運行范圍,并對發(fā)動機外特性工況下的最大甲醇替代率進行了研究。

1 試驗系統(tǒng)及研究方案

1.1 試驗臺架與設(shè)備

試驗所用發(fā)動機為單缸共軌風(fēng)冷柴油機,表1給出了其主要參數(shù)。為保證甲醇和柴油能夠分別獨立噴入氣缸,在發(fā)動機缸蓋上加裝了甲醇缸內(nèi)直噴噴嘴,柴油仍沿用原機的共軌直噴系統(tǒng)(圖1)。試驗用甲醇為無水甲醇,柴油為市售0#柴油,其理化性質(zhì)如表2所示。

圖1 發(fā)動機缸蓋剖面圖Fig.1 Section view of the engine cylinder head

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

表2 試驗燃料的理化性質(zhì)

甲醇/柴油雙直噴發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)如圖2所示。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩采用電力測功機(CAC37)監(jiān)測,柴油和甲醇消耗量由高精度電子秤稱量,缸內(nèi)壓力信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號分別通過壓電式壓力傳感器(Kistler 6058A)和曲軸轉(zhuǎn)角傳感器(Kistler 2619A11)進行測量。同一運行工況下,采集200個連續(xù)工作循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)用于分析燃燒特征參數(shù)。常規(guī)氣體和顆粒排放分別采用AVL4000L排放分析儀和Horiba MEXA-600S不透光煙度計進行測定。

圖2 發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)Fig.2 Engine set-up and instrumentation layout

1.2 試驗方案

試驗在原機最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(2 000 r/min)下進行。柴油和甲醇的噴射時刻和脈寬均由自主開發(fā)的電控系統(tǒng)控制。采用柴油預(yù)噴策略以抑制燃燒粗暴,為便于標記,將預(yù)噴柴油記為D1,主噴柴油記為D2。為了在發(fā)動機寬負荷工況下全面提高熱效率,柴油噴射時刻相對較早,以便于在缸內(nèi)形成均勻的混合物。本文將壓縮上止點定義為0°,為保證燃燒累計放熱50%時刻(CA50)集中在上止點后8°～10°范圍內(nèi),柴油主噴時刻(TD2)固定在-17°,柴油預(yù)噴和主噴間隔為12°,噴射壓力為90 MPa。為避免甲醇和柴油油束的碰撞干擾,甲醇噴射時刻(TM)為上止點前60°,噴射壓力為15 MPa。

定義甲醇替代率為雙燃料發(fā)動機每循環(huán)噴入缸內(nèi)的甲醇燃料熱值與該循環(huán)下噴入氣缸的總?cè)剂蠠嶂抵?其計算公式如下

(1)

式中:RM為甲醇替代率,%;mM和mD分別為甲醇與柴油的燃料消耗量,kg/h;hM和hD分別為甲醇和柴油的低熱值,MJ/kg。

暖機過程采用純柴油模式,發(fā)動機負荷率固定在20%,逐漸增加甲醇噴射量,使得發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩不斷提高直至達到外特性轉(zhuǎn)矩,試驗過程中記錄不同甲醇噴射量下的發(fā)動機性能和排放數(shù)據(jù)。隨后增加柴油噴射量并固定,逐漸增加甲醇噴射量,直至發(fā)動機達到外特性工況。依此類推,直至覆蓋全負荷工況。試驗過程中,最大壓升率(Rmax)超過0.8 MPa/(°),則認為發(fā)生了粗暴燃燒。為保證燃燒穩(wěn)定性,指示平均有效壓力(IMEP)的循環(huán)變動(δIMEP)控制在5.0%以下。為保證機械設(shè)計強度,最高缸內(nèi)壓力限制在15 MPa以下。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 雙直噴燃燒模式的運行范圍

甲醇/柴油雙直噴發(fā)動機的運行范圍如圖3所示。值得注意的是,在高負荷率工況下,最大甲醇替代率達65.1%,高于以往的研究結(jié)果[12-13]。隨著發(fā)動機負荷率的增加,甲醇替代率的進一步提高受限于粗暴燃燒邊界。

圖3 雙直噴燃燒模式運行范圍和熱效率分布Fig.3 Experimental operating range and indicated thermal efficiency contours

由圖3可見:指示熱效率(ηit)隨發(fā)動機負荷率的增加而提高,而隨甲醇替代率的變化則呈現(xiàn)出不同的趨勢;當發(fā)動機負荷率為40%時,純柴油運行工況的指示熱效率為38.6%,隨著甲醇替代率分別增加到16.1%和21.1%,指示熱效率分別降低至37.8%和36.9%,這是因為在發(fā)動機低負荷率工況下,較低的缸內(nèi)溫度和甲醇的冷卻使得較稀燃料混合物的燃燒惡化,從而導(dǎo)致指示熱效率降低[14-15];而當發(fā)動機負荷率增加到60%時,甲醇替代率為18.6%、28.4%、40.5%和43.9%時的指示熱效率分別為40.6%、40.9%、41.2%和41.0%。由于甲醇分子結(jié)構(gòu)中僅含有一個碳鍵,其燃燒過程相對簡單[16]。作為一種含氧燃料,甲醇在燃燒過程中可產(chǎn)生OH自由基,有利于加速燃燒[17]。此外,較高的汽化潛熱也會增強甲醇的冷卻,有利于降低燃燒過程中的傳熱損失[18]。因此,隨著甲醇替代率的增加,指示熱效率提高。但是,當甲醇替代率進一步增加時,甲醇燃料在燃燒過程中起主導(dǎo)作用,增加的甲醇量降低了缸內(nèi)燃料混合物的活性,導(dǎo)致指示熱效率降低。隨著發(fā)動機負荷率進一步增加,在發(fā)動機負荷率為79.5%、甲醇替代率為52.4%的工況下,指示熱效率達到最大值43.4%。這是因為在發(fā)動機高負荷率工況下,缸內(nèi)的溫度和壓力升高,有利于提高燃燒速率,從而提高了指示熱效率。

2.2 不同發(fā)動機負荷率下甲醇替代率的影響

圖4為不同發(fā)動機負荷率下甲醇替代率對燃燒過程的影響。如圖4(a)和(b)所示,在40.0%和56.5%發(fā)動機負荷率下,甲醇替代率對燃燒過程影響較小,燃燒呈現(xiàn)顯著的兩段放熱特征[19-20]。隨著甲醇替代率的增加,壓縮沖程的缸內(nèi)壓力降低,第一段放熱峰值降低,這是因為甲醇的冷卻降低了缸內(nèi)溫度,抑制了柴油的低溫放熱反應(yīng)。如圖4(c)所示,在高發(fā)動機負荷率下,隨著甲醇替代率由18.1%增加到47.8%,壓縮沖程的壓力降低,而膨脹沖程的壓力升高。燃料燃燒過程由兩段放熱變?yōu)閱味畏艧?燃燒壓力峰值和放熱率峰值提高。在高甲醇替代率下,柴油噴射量減少,甲醇噴射量增加,使得缸內(nèi)高活性燃料的局部當量比降低,快速高溫反應(yīng)無法迅速形成。而隨著活塞接近壓縮上止點,缸內(nèi)的溫度和壓力增加,觸發(fā)大范圍高溫放熱反應(yīng),從而呈現(xiàn)出單段放熱的特征,此時缸內(nèi)放熱過程主要由甲醇燃燒主導(dǎo)。

(a)40.0%發(fā)動機負荷率的燃燒特征

圖5為不同發(fā)動機負荷率下甲醇替代率對燃燒特征參數(shù)的影響。由圖可見,在不同發(fā)動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,著火延遲期逐漸被延長。由于甲醇的冷卻降低了缸內(nèi)溫度,且甲醇的活性較低,因而導(dǎo)致缸內(nèi)高活性燃料的局部當量比降低,著火延遲期增加。此外,在低溫條件下,甲醇參與OH自由基的競爭反應(yīng),后者被甲醇氧化后產(chǎn)生活性較低的H2O2,使得著火延遲期增加[21]。較長的著火延遲期有利于在缸內(nèi)形成均勻的燃料混合物,增加燃料燃燒的集中放熱速率。甲醇燃料的含氧特性和較高的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔欣诟變?nèi)燃燒速率的提高[22]。因此,隨著甲醇替代率的增加,燃燒持續(xù)期縮短,燃燒狀態(tài)提前,燃燒累計放熱50%的時刻(CA50)提前。

圖5 甲醇替代率對燃燒特征參數(shù)的影響Fig.5 Effect of methanol energy substitution ratio on the combustion characteristics

圖6為不同發(fā)動機負荷率下甲醇替代率對最高燃燒溫度的影響。由圖可見,隨著發(fā)動機負荷率的增加,缸內(nèi)最高燃燒溫度提高。當發(fā)動機負荷率由40.0%增加至56.5%時,純柴油工況下的最高燃燒溫度由1 308 K提高至1 455 K。在不同的發(fā)動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,缸內(nèi)最高燃燒溫度提高。隨著甲醇噴射量的增加,預(yù)混燃燒比例提高,有利于提高缸內(nèi)燃料的燃燒速率,致使燃燒狀態(tài)提前,燃料燃燒的等容度更高,從而提高了缸內(nèi)最高燃燒溫度。

圖6 甲醇替代率對最高燃燒溫度的影響Fig.6 Effect of methanol energy substitution ratio on the maximum combustion temperature

圖7為不同發(fā)動機負荷率下甲醇替代率對最大壓力升高率的影響。由圖可見,隨著發(fā)動機負荷率的增加,最大壓力升高率提高。在85.7%發(fā)動機負荷率工況下,隨著甲醇替代率由18.1%增加到47.8%,最大壓力升高率由0.61 MPa/(°)提高到0.76 MPa/(°)。甲醇的加入使得預(yù)混燃燒比例增加,燃燒速率提高,進而導(dǎo)致缸內(nèi)最大壓升率提高。同時,高發(fā)動機負荷率工況的最大壓力升高率高于低負荷率工況。

圖7 甲醇替代率對最大壓力升高率的影響Fig.7 Effect of methanol energy substitution ratio on the maximum pressure rise rate

圖8為不同發(fā)動機負荷率下甲醇替代率對循環(huán)變動的影響?？梢钥闯?在低負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,燃燒循環(huán)變動提高。例如,在40.0%發(fā)動機負荷率工況、甲醇替代率分別為0%、16.1%和21.1%時的循環(huán)變動分別為3.96%、4.01%和4.41%。這是因為在低負荷率工況下,缸內(nèi)溫度較低,噴入氣缸的甲醇冷卻作用加強,抑制了柴油的低溫反應(yīng),不利于燃燒的穩(wěn)定性。隨著發(fā)動機負荷率的增加,燃燒循環(huán)變動降低,意味著缸內(nèi)燃燒過程更加穩(wěn)定。高負荷率下的高溫、高壓環(huán)境有利于提高著火和燃燒過程的穩(wěn)定性[23]。同時,甲醇的含氧特性能夠促進燃燒速率的提升,進而增強燃燒的穩(wěn)定性。因此,在中、高發(fā)動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,燃燒的穩(wěn)定性提高。

圖8 甲醇替代率對循環(huán)變動的影響Fig.8 Effect of methanol energy substitution ratio on the cyclic variation

圖9為不同發(fā)動機負荷率下甲醇替代率對常規(guī)氣體排放的影響?？梢钥闯?隨著發(fā)動機負荷率的提高,NOx排放增加。這是因為在高負荷率下,缸內(nèi)燃燒溫度增大,更多的燃料噴射量也提高了燃料的局部當量比[24],從而在缸內(nèi)形成高溫、富燃環(huán)境,有利于NOx污染物的生成。在不同發(fā)動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,NOx排放水平降低,而CO和HC排放水平提高。首先,甲醇的冷卻效應(yīng)降低了缸內(nèi)溫度,抑制了NOx的生成[25-26];其次,著火延遲期的延長提高了缸內(nèi)燃料混合物的均勻性,降低了局部當量比;最后,燃燒速率的提高縮短了缸內(nèi)高溫持續(xù)時間。因此,隨著甲醇替代率的增加,NOx排放降低。缸內(nèi)溫度的下降惡化了燃料的燃燒狀況,導(dǎo)致更多的燃料不能完全氧化,造成了HC和CO排放的增加。在低溫條件下,甲醇與OH基反應(yīng)生成活性較低的H2O2,抑制了CO的氧化反應(yīng)[27]。同時,甲醇的加入導(dǎo)致著火延遲期延長,更多的甲醇燃料噴射到近缸壁區(qū)域,也會增加HC和CO排放。

圖9 甲醇替代率對常規(guī)氣體排放的影響 Fig.9 Effect of methanol energy substitution ratio on the regular gaseous emissions

圖10為不同發(fā)動機負荷率下甲醇替代率對碳煙排放的影響。隨著發(fā)動機負荷率的提高,碳煙排放增加。柴油噴射量的增加提高了燃料的局部當量比,有利于碳煙的生成。在同一發(fā)動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,碳煙排放降低。這是因為柴油噴射量的減少使得多環(huán)芳烴等減少,進而改善了顆粒物排放。同時,著火延遲期增加有利于減少缸內(nèi)局部富燃區(qū)域。此外,在高溫環(huán)境下,甲醇的含氧特性有利于碳煙的氧化。因此,隨著甲醇替代率的增加,碳煙排放降低。

圖10 甲醇替代率對碳煙排放的影響Fig.10 Effect of methanol energy substitution ratio on the soot emissions

2.3 全負荷工況最大甲醇替代率對指示熱效率的影響

考慮到在高負荷率下,甲醇替代率的提高受限于粗暴燃燒邊界,本節(jié)通過滯后柴油主噴時刻(-11°)來降低燃燒壓力升高率,從而實現(xiàn)甲醇替代率的提高。試驗過程中,柴油的預(yù)噴和主噴間隔角度不變(12°)。在保證燃料燃燒指示功不變的前提下,通過不斷減小柴油噴射量、增加甲醇噴射量來提高甲醇替代率。

圖11為全負荷工況下甲醇替代率對指示熱效率的影響。由圖可知,在柴油預(yù)噴策略下,甲醇替代率可以達到80.0%;在柴油單次噴射策略下,最高甲醇替代率可以高達96.0%,指示熱效率為33.75%。純柴油運行工況的指示熱效率為39.74%,隨著甲醇替代率的增加,指示熱效率呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢。當甲醇替代率為50.0%時,可實現(xiàn)最高指示熱效率(41.55%)。當甲醇替代率從20.0%增加至50.0%時,指示熱效率提高。這是因為甲醇的加入提高了預(yù)混燃燒比例,使燃燒狀態(tài)提前,燃燒持續(xù)期縮短,從而提高了熱效率。但是,隨著甲醇替代率的進一步增加,甲醇的冷卻效果加強,使得缸內(nèi)溫度降低,同時缸內(nèi)燃料混合物的活性降低,導(dǎo)致熱效率下降。

圖11 外特性工況下甲醇替代率對指示熱效率的影響Fig.11 Effect of methanol energy substitution ratio on the indicated thermal efficiency at the full engine load

3 結(jié) 論

(1)甲醇/柴油雙直噴發(fā)動機的運行范圍主要受限于粗暴燃燒邊界,在發(fā)動機負荷率為79.5%、甲醇替代率為52.4%工況下,指示熱效率可達到最高值43.4%。

(2)隨著甲醇替代率的增加,著火延遲期增加,燃燒持續(xù)期縮短,燃燒狀態(tài)提前。甲醇噴射量增加有利于降低NOx和碳煙排放水平,但是HC和CO排放提高。

(3)在發(fā)動機外特性工況下,最大甲醇替代率可以達到96.0%。甲醇替代率96.0%的指示熱效率為37.55%,低于純柴油工況的指示熱效率。

(4)隨著甲醇替代率的增加,指示熱效率先提高后降低。甲醇替代率為50.0%時,最高指示熱效率可達41.55%。