柴油/甲醇不同摻燒方式燃燒過程和排放對比分析

李仁春，王忠，袁銀男，2，張登攀，李銘迪

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212013;2.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通226019)

0 引言

柴油機熱效率高、經濟性好、性能可靠，但NOx和碳煙排放較高。柴油機摻燒含氧燃料有助于改善燃燒，降低NOx和碳煙的排放［1-2］。甲醇作為含氧燃料的一種，有含氧量高、燃燒速度快、著火界限寬等優勢。柴油機摻燒甲醇最常用的方式是:柴油/甲醇直接混合［3］、氣道噴射甲醇柴油引燃［4］。柴油/甲醇直接混合是在燃料噴入氣缸之前使甲醇與柴油均與混合，這種方式幾乎無需改變原柴油機結構，甲醇摻燒比不高，易于實際應用，適合農用機械等非道路用柴油機實現甲醇摻燒;氣道噴射甲醇柴油引燃是將甲醇噴入柴油機進氣道，柴油由高壓油嘴噴入氣缸來引燃甲醇，該方式可以靈活控制甲醇噴射參數，調整摻燒比，最大摻燒比可以達到70%，這種方式對柴油機的改動較小，適合在車用柴油機推廣應用。研究表明［3-6］:無論是柴油/甲醇直接混合還是氣道噴射甲醇摻燒，碳煙排放明顯降低，NOx排放也有所改善。滯燃期延長，預混放熱比例增大，燃燒溫度降低，HC 和CO 排放有所增加。

柴油/甲醇直接混合與氣道噴射甲醇在混合氣形成方式、燃燒模式以及排放特性等方面存在著諸多差異。本文著重對這兩種方式摻燒甲醇燃燒過程和排放進行對比分析。對4B26 直噴式增壓柴油機進氣歧管進行了改造，安裝了甲醇電控噴射系統［7］，研究柴油/甲醇不同摻燒方式的燃燒過程和排放。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗設備

試驗主要儀器:杭州奕科機電技術有限公司產WE32 水力測功機、EIM0301D 臺架控制柜、HAM03醇耗儀;奧地利AVL 公司產AVL 525 燃燒分析儀、AVL415S 煙度計、AMA 4000 排放分析儀。

試驗是在4B26 增壓柴油機上進行的，柴油機主要技術參數為:缸徑90 mm;活塞行程100 mm，活塞排量2.5 L;燃燒室型式ω 型，壓縮比18;標定功率55 kW，標定轉速3 200 r/min，最大轉矩183 N·m，最大轉矩轉速2 200 r/min，柴油供油提前角為12°CA，甲醇噴射時刻為排氣上止點前150°CA.

1.2 試驗方案

氣道噴射甲醇方式是通過安裝在氣道上的噴嘴噴入甲醇，甲醇吸收氣道和空氣中的熱量汽化、蒸發，形成均質混合氣進入氣缸。柴油是在甲醇氛圍中霧化、著火，引燃甲醇均質混合氣。柴油/甲醇直接混合是由噴油器噴入燃燒室，柴油和甲醇都是一邊噴入氣缸、一邊與空氣混合，一邊燃燒，兩種方式的燃燒模式存在較大的差異。

柴油和甲醇的理化性質差異較大，不添加任何助溶劑的情況下，直接混合時甲醇比例不高。試驗選擇在相同甲醇摻燒比情況下，進行兩種摻燒方式的對比，選擇摻燒比為10%進行分析。

試驗燃料為0#柴油、99.8%無水甲醇，不摻燒甲醇時即為燃燒純柴油，記為Diesel;柴油/甲醇直接混合是通過機械攪拌將兩種燃料混合均勻，不添加任何助溶劑，記為B-M10.氣道噴射甲醇由甲醇電控噴射系統控制，記為IJ-M10.氣道噴射方式甲醇摻燒比的定義為

式中:bm、bd分別為實測的甲醇、柴油消耗率(g/(kW·h)).

選取柴油機轉速2 200 r/min，4 個負荷(47 N·m、94 N·m、141 N·m 和158 N·m)為研究工況(依據控制發動機運行工況策略，為防止發生爆震，全負荷工況時不摻燒甲醇)。試驗過程中測量了不同負荷的示功圖、污染物排放以及甲醇、柴油的燃油消耗率，并進行了柴油/甲醇雙燃料燃燒過程的放熱規律計算。

2 燃燒過程對比分析

2.1 氣缸壓力、放熱率和缸內平均溫度

圖1為柴油機不同方式摻燒甲醇在47 N·m 和158 N·m 時的氣缸壓力對比。可以看出，對比兩種摻燒方式，氣缸壓力相差不大。與燃燒柴油相比:低負荷時，柴油/甲醇直接混合和氣道噴射甲醇摻燒最大爆發壓力都略有降低，對應的曲軸轉角滯后;高負荷時，摻燒甲醇最大爆發壓力略有升高，對應的曲軸轉角提前。因此在實際應用中，無論是柴油/甲醇直接混合還是氣道噴射甲醇方式，摻燒比例較低時，柴油機的動力性變化不大。

圖1 氣缸壓力對比Fig.1 Comparison of in cylinder pressures

圖2為柴油機不同方式摻燒甲醇在47 N·m 和158 N·m 時的放熱率對比。可以看出:隨著負荷的增加，燃燒預混放熱比例增加。低負荷時，兩種方式的放熱率峰值相差不大，呈單峰放熱。高負荷時，放熱率曲線呈雙峰，對于氣道噴射甲醇方式，預混放熱率較高，燃燒終點提前。二者差異的原因主要是由于混合氣形成方式的不同。氣道噴射甲醇與空氣的混合過程主要是在進氣道中進行的，柴油噴射之前缸內已經形成了均質的甲醇預混合氣，一旦著火，燃燒初期放熱速率極為迅速，預混放熱量增加。與燃燒柴油相比，低負荷時，兩種方式摻燒甲醇，放熱率峰值都有所增加;高負荷時，放熱率峰值降低，預混放熱量增加。

圖2 放熱率對比Fig.2 Comparison of heat release rates

柴油機不同方式摻燒甲醇在47 N·m 和158 N·m時的缸內平均溫度對比如圖3所示。從圖3可以看出，與燃燒純柴油相比，摻燒10%甲醇后缸內平均溫度都有所降低。對于氣道噴射甲醇摻燒方式，缸內平均溫度降低幅度較明顯。這主要是因為:由氣道噴入的甲醇經汽化吸熱，降低了進氣溫度，進一步導致壓縮終了溫度降低。對于柴油/甲醇直接混合方式，甲醇高汽化潛熱也會使得溫度有所降低，但是氣道噴射甲醇降低進氣溫度對缸內平均溫度的影響更突出。

2.2 滯燃期

圖4為柴油機不同方式摻燒甲醇滯燃期的對比。滯燃期為從柴油噴油始點到缸內混合氣著火燃燒始點的時間段。噴油始點依據原機的供油提前角確定，燃燒始點以上止點前放熱率曲線從最低點突然回升點確定。可以看出:中低負荷時，對于氣道噴射甲醇摻燒方式，滯燃期延長較明顯;高負荷時，與柴油/甲醇直接混合方式相比，柴油機氣道噴射方式摻燒甲醇，滯燃期略有提前。

圖3 缸內平均溫度的對比Fig.3 Comparison of in-cylinder temperatures

圖4 滯燃期的對比Fig.4 Comparison of ignition delay periods

混合氣形成方式的不同直接造成燃燒室溫度的差異。負荷較低時，氣道噴射摻燒甲醇大幅度降低燃燒室溫度，不利于柴油在甲醇氛圍中的霧化、著火［8］，導致滯燃期延長。高負荷時，燃燒室溫度較高，當溫度超過1 000 K 時，甲醇大量分解得到的CH2O，通過多步鏈式反應釋放出大量的OH［9］，OH大量轉化為H2O2.H2O2的分解是開啟高溫放熱反應的關鍵，溫度升高有助于低溫反應中積累的H2O2提前分解，從而有助于促進缸內混合氣的著火。與燃燒柴油相比，兩種方式摻燒甲醇，著火幾乎都有延遲的趨勢。

3 排放對比分析

3.1 HC 排放

圖5為柴油機不同方式摻燒甲醇的HC 排放對比。與氣道噴射甲醇摻燒方式相比，燃燒柴油/甲醇混合燃料的HC 排放較低，且隨著負荷的增加，與燃燒柴油的HC 排放接近。低負荷時，氣道噴射甲醇HC 排放增加明顯。

圖5 HC 排放對比Fig.5 Comparison of HC emissions

氣道噴射甲醇柴油引燃方式的混合氣形成過程與燃燒柴油、柴油/甲醇混合燃料不同，甲醇的噴霧、汽化、蒸發過程幾乎是在氣道內進行的，大幅度降低了混合氣的溫度，壁面冷激效應、狹隙效應、油膜附吸和沉積物吸附作用增強。負荷較低時，噴油量少，混合氣濃度過稀，導致HC 排放急劇增加。隨著負荷的增加，混合氣濃度和燃燒溫度都升高，HC 排放降低。高負荷時，與柴油相比，HC 排放增加幅度減小。

3.2 CO 排放

圖6為柴油機不同方式摻燒甲醇的CO 排放對比。從圖6可以看出:與燃燒柴油/甲醇直接混合相比，氣道噴射甲醇摻燒的CO 排放大幅度增加。柴油/甲醇直接混合方式的CO 排放與燃燒柴油相當。

圖6 CO 排放對比Fig.6 Comparison of CO emissions

CO 是烴類燃燒的中間產物和不完全燃燒產物之一。氣道噴射甲醇摻燒的混合氣形成方式決定了其不完全燃燒程度增加。由氣道噴入的甲醇經汽化吸熱與空氣混合，進入氣缸參與燃燒，降低了燃燒溫度，使得甲醇與空氣形成的均質混合氣發生了不完全氧化反應［10］，導致CO 排放增加。

3.3 NOx 排放

圖7為柴油機不同方式摻燒甲醇的NOx排放對比。從圖7可以看出:柴油/甲醇直接混合在低負荷時降低NOx排放作用明顯，隨著負荷的增加，與燃燒柴油的NOx排放相差不大;氣道噴射甲醇摻燒方式在試驗的4 種負荷時，對降低NOx排放作用都較明顯。

圖7 NOx 排放對比Fig.7 Comparison of NOx emissions

NOx生成條件為高溫、富氧和高溫持續時間。氣道噴射甲醇摻燒的燃燒模式與燃燒柴油、柴油/甲醇混合燃料不同，柴油是在甲醇均質混合氣氛圍中著火，燃燒室局部地區一旦著火，引燃周圍的甲醇均質預混合氣，燃燒速度加快，縮短了高溫持續時間。同時甲醇降低了進氣溫度及燃燒最高溫度;另一方面，甲醇含氧量高，在一定程度上提高了混合氣活性氧濃度。負荷較低時，前者的作用更明顯，所以NOx排放大幅度減少。隨著負荷的增加，兩個方面綜合作用下，NOx排放下降幅度減小。

3.4 碳煙排放

圖8為柴油機不同方式摻燒甲醇的碳煙排放對比。從圖8可以看出:與柴油/甲醇直接混合方式相比，氣道噴射甲醇摻燒方式在高負荷時降低碳煙排放效果更好。負荷較低時，兩種方式碳煙排放基本相當。

碳煙生成的條件是高溫和缺氧。甲醇替代了部分柴油，減少了燃料中碳的比例。另外，甲醇的加入提高了預混合燃燒比例，同時甲醇在燃燒初期反應生成大量具有強氧化作用的OH，有助于減少碳煙的生成。氣道噴射形成的甲醇均質混合氣，避免了局部高溫、缺氧的情況，燃燒速度加快，降低燃燒最高溫度，有利于減少碳煙的生成。

圖8 煙度對比Fig.8 Comparison of smoke intensities

4 結論

1)柴油/甲醇直接混合與氣道噴射甲醇方式的混合氣形成過程和燃燒模式存在較大的差異;對于氣道噴射方式，柴油是在甲醇氛圍中霧化、著火，引燃甲醇均質混合氣。

2)與燃燒柴油相比，兩種方式摻燒10% 甲醇，動力性變化不大，預混放熱量增加。低負荷時，氣道噴射甲醇降低燃燒溫度、延長滯燃期作用較明顯。

3)與柴油/甲醇直接混合相比，氣道噴射甲醇排氣溫度有較大的降低，HC 和CO 排放較高，NOx和碳煙排放降低較顯著。

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