甲醇裂解器起燃特性的試驗研究

吳亞蘭，楊永廣，程勇

（1.山東建筑大學機電學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101；3.山東大學能源與動力工程學院，山東濟南250014；4.德爾福（上海）動力推進系統有限公司，上海200131）

甲醇裂解器起燃特性的試驗研究

吳亞蘭1，2，楊永廣3，程勇4

（1.山東建筑大學機電學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101；3.山東大學能源與動力工程學院，山東濟南250014；4.德爾福（上海）動力推進系統有限公司，上海200131）

甲醇作為發動機替代燃料，以液態形式直接應用會腐蝕發動機。利用排氣余熱將甲醇裂解后燃燒，可有效緩解純甲醇發動機冷起動困難的情況。文章通過臺架試驗，對甲醇裂解器的起燃過程進行了研究，分析了環境溫度和發動機起動后負荷加載情況對裂解器起燃時間的影響。結果表明:環境溫度的提高、發動機轉速和負荷的增加以及點火提前角的推遲會有效縮短甲醇裂解器的起燃時間；模擬道路工況下，隨著排氣管及裂解器處的氣流運動加劇，導致其散熱速率加快，裂解器溫度上升緩慢，甲醇裂解率受裂解器入口溫度的影響較大。

發動機；甲醇裂解器；起燃特性

0 引言

隨著我國石油進口依賴度的增加以及大氣污染問題的加劇，人們亟需尋找發動機的替代燃料。甲醇來源廣泛，可由煤炭、天然氣、海藻等含碳資源生產而來。甲醇是含氧燃料，可在缸內燃燒充分，并且汽化潛熱較大，可降低缸內溫度，有效降低CO濃度以及排放量。因此研究開發以甲醇為燃料的發動機具有重要意義［1-4］。

液態甲醇對發動機氣缸以及供油系統具有腐蝕性，并對輸油橡膠管路具有溶脹作用，甲醇汽化潛熱是汽油的3.7倍，甲醇機冷起動困難，并且會產生高溫氣阻。因此，液態甲醇直接應用于內燃機仍存在一些問題。利用發動機排氣余熱將甲醇裂解，將液態甲醇轉化成CO和H2，避免了液態甲醇對內燃機有關部件的腐蝕性，因此，對甲醇裂解氣發動機的研究越來越受到關注［5-7］。甲醇吸收廢氣余熱進行汽化、裂解過程中吸收的熱量相當于液態甲醇低熱值的21%，即甲醇裂解氣的低熱值較液體甲醇提高了21%左右［8］。

對進氣道噴射式汽油機，可將裂解氣送入進氣管，在進氣過程中隨空氣進入發動機參與燃燒。在發動機剛起動時，尤其是氣溫低時，甲醇裂解器溫度較低，裂解器不能提供足夠的能量使甲醇蒸發、裂解。自發動機起動至裂解器能正常工作這段時間稱為起燃時間。相同的裂解器的起燃時間受環境溫度以及發動機工況的影響。文章通過臺架試驗，測定和分析了環境溫度和發動機起動后負荷加載情況對裂解器起燃時間的影響［9-10］。

1 裂解器結構及試驗臺架

甲醇裂解器分為蒸發器和反應器兩部分，其結構如圖1所示。蒸發器中換熱器采用翅片管，反應器中采用普通管殼式換熱器，在管內放置四川中自尾氣凈化有限公司提供的鈀系催化劑。以耐高溫蜂窩體為載體，鈀負載量為2 g／L。裂解器采用逆向換熱，液體甲醇從排氣流向的下游方向噴入蒸發器的翅片管內加熱，液態甲醇在蒸發器中蒸發，隨后進入反應器，在高溫以及催化劑的作用下裂解為CO和H2，產生的裂解氣從排氣上游方向流出。

圖1 甲醇裂解結構示意圖

發動機試驗臺架布置，主要包括湘儀電渦流測功機及控制系統、東風EQ491i汽油機、ECU標定軟件Pchud，自行開發的穩態數據采集系統、缸壓采集測試系統、甲醇噴射控制系統，以及高濃度在線H2檢測儀排放分析儀和相關的傳感器。

試驗中，發動機通過汽油起動，利用熱電偶和自行開發的溫度采集系統，記錄發動機排氣溫度和裂解器入口、出口溫度，以及裂解器內部催化劑附近的溫度（裂解器溫度），研究裂解器起燃特性。待甲醇裂解器達到甲醇裂解所需要的溫度后，通過噴嘴將液態甲醇噴入，逐漸增加甲醇的噴射量、降低汽油的噴射量最終切換為純甲醇裂解氣工作模式。

文章討論的環境溫度均取自試驗時實驗室自然環境溫度，啟動時盡量保證控制模式一致。

2 裂解器起燃特性測試分析

甲醇裂解器的起燃定義為裂解器能夠提供足夠的熱量，使甲醇蒸發、并開始裂解，產生CO和H2。裂解器起燃時間為發動機起動到甲醇裂解器達到裂解所需溫度的過程。

發動機采用汽油起動，固定節氣門開度及發動機轉速，監測裂解器溫度，并在裂解器不同溫度階段向裂解器噴入甲醇。試驗結果表明，裂解器溫度未達到起燃溫度時，甲醇在裂解器中無H2產生，相同轉速下，發動機的扭矩、不發生明顯變化，表明甲醇未發生裂解。而當裂解器溫度升到280℃時，噴入甲醇后裂解器管路中H2濃度達到35%，轉速不變的情況下，發動機輸出扭矩開始逐漸增加，是因為此時甲醇發生了裂解并且進入氣缸參與了燃燒。當裂解器溫度達到300℃時，增加甲醇后，甲醇裂解器管路中氫氣體積濃度達到45%左右，發動機的響應速度明顯加快，這是因為有H2進入氣缸參與燃燒所致，因此將該裂解器的起燃溫度確定為300℃。

發動機冷起動時，裂解器從環境溫度升到300℃所需時間是表征裂解器性能的一個重要參數。在發動機及甲醇裂解器一定的情況下，起燃時間取決于環境溫度和發動機啟動及隨后的運轉工況等。

2.1 環境溫度對起燃時間的影響

在不同的環境溫度下，按照相同的起動、加載模式控制發動機工作。測量發動機排氣溫度、裂解器入口溫度以及裂解器催化劑部分的溫度變化。測量結果如圖2所示，為試驗過程中發動機起動、加載模式圖如圖2（a）所示，發動機啟動后，由怠速調節至1500 r／min、30 N·m，并穩定。發動機起動后，甲醇裂解器入口的溫度受環境溫度影響的變化曲線圖如圖2（b）所示，裂解器的起燃時間受環境溫度的影響如圖2（c）所示。

隨著環境溫度的升高，發動機熱機時間降低、排氣管散熱量減少的影響，起燃時間逐漸縮短。在固定的起動、熱機情況下，環境溫度每降低1℃，需要延長28 s。

圖2 冷起動時環境溫度對起燃時間影響

2.2 負荷加載情況對起燃時間的影響

環境溫度為10℃時，發動機啟動后分別控制在怠速850 r／min，在轉遇為1300 r／min其因扭距分別為20 N·m、35 N·m、40 N·m工況下運行，測量記錄發動機排溫和甲醇裂解器入口溫度等參數隨時間的變化如圖3所示，其中圖3（a）為發動機排氣溫度隨時間的變化曲線，圖3（b）為甲醇裂解器入口溫度隨時間的變化曲線。

由圖3可知，在環境溫度較低的情況下，以怠速工況進行熱機，由于散熱量較大，廢氣產生的余熱在短時間內無法達到起燃溫度。發動機在1300 r／min、20 N·m的工況下甲醇裂解器達到起燃溫度需要15min左右。相比怠速工況，隨著發動機負荷的增加，裂解器起燃時間明顯縮短。

圖3 負荷加載模式對起燃時間的影響圖

為了盡快達到裂解器的起燃溫度，在環境溫度一定的情況下，適當提高發動機的負荷和轉速有利于縮短裂解器的起燃時間。適當推遲點火提前角，可以提高排氣溫度，也有利于加快裂解器的起燃。試驗結果表明，發動機起動后，如果將發動機轉速提高至1800 r／min、扭矩為40 N·m左右，如圖4（a）所示，同時將點火提前角相比原機推遲5℃A（A為曲柄轉角），甲醇裂解器起燃時間即可縮短至148 s，如圖4（b）所示。

圖4 甲醇裂解器快速起燃曲線圖

2.3 模擬道路工況下的起燃時間

當環境溫度較低時，由于排氣管及裂解器散熱量增加，裂解器起燃時間延長。裂解器實車工作時，存在空氣對裂解器的強制冷卻，也勢必影響裂解器的起燃特性。通過變頻風機，對車輛在道路工況下，甲醇裂解器入口溫度受風速的影響進行了模擬。試驗中，采用北京檢測儀器有限公司ZRQF—F30J型智能熱球式風速計測量風速，將冷卻風機風速調節為50 km／h。試驗時環境溫度為15℃，發動機排氣管及甲醇裂解器未采取保溫措施。參照圖3所示加載模式，啟動后，發動機分別保持怠速、怠速迅速調節至1300 r／min、20 N·m及1300 r／min、40 N·m，測量對比了模擬道路工況和正常臺架試驗工況時裂解器達到起燃溫度的時間，在未對甲醇裂解器采取保溫措施時，道路模擬與臺架試驗起燃時間的對比曲線圖如圖6所示。由于在道路工況下，排氣管以及甲醇裂解器的散熱量較大，三種工況下都無法達到起燃溫度。因此，在實際應用中，需要對發動機排氣管以及甲醇裂解器進行較好的保溫處理，減少熱量的散失，縮短起燃時間。另外，點火提前角的推遲會有利于起燃時間的縮短。

2.4 不同裂解器的入口溫度時的裂解率

甲醇裂解器實車運行時，由于裂解器散熱情況不同，會導致裂解器工作溫度不同，進而影響裂解器裂解率。通過調節風機風速，改變甲醇裂解器的入口溫度，測量甲醇裂解率。通過改變變頻風機的風速來監測試驗所需的不同甲醇裂解器入口溫度。實時監測不同裂解器溫度下H2的體積濃度并收集裂解后的甲醇裂解氣進行分析，得出甲醇裂解率，甲醇裂解率隨入口溫度變化規律如圖6所示。

圖5 道路模擬與臺架試驗起燃時間對比圖

圖6 甲醇裂解率隨入口溫度變化規律圖

鈀系催化劑具有較寬的溫度活性范圍，耐高溫并具有熱穩定性。由圖6可知，甲醇裂解率受裂解器溫度的影響。隨著甲醇裂解器入口溫度從450℃增加到600℃，甲醇裂解率由50%增加到80%。甲醇裂解率越高，混合氣中CO和H2的含量就越高，越有利于發動機的燃燒，對于發動機經濟性和排放特性有明顯的增強。

3 結論

通過本研究可知:

（1）隨著環境溫度的降低，發動機熱機時間加長，排氣管以及甲醇裂解器的散熱量增加，甲醇裂解器的起燃時間增加。增加熱機過程中發動機的轉速和負荷，以及適當推遲點火提前角，都可以降低甲醇裂解器的起燃時間。

（2）模擬道路工況表明，隨著排氣管及裂解器處的氣流運動加劇，導致其散熱速度加快，裂解器溫度上升緩慢。隨著裂解器溫度入口的升高，甲醇裂解率逐漸升高。實際應用中可采取措施盡量提高裂解器入口溫度。

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［9］ 楊永廣.甲醇裂解氣發動機的試驗研究［D］.濟南:山東大學，2011.

［10］王進.純甲醇裂解氣發動機試驗研究［D］.濟南:山東大學，2013.

（責任編輯：吳芹）

Study on the light-off characteristics ofmethanol reformer

Wu Yalan1，2，Yang Yongguang3，Cheng Yong4

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China；3.School of Energy＆Power Engineering，Shandong University，Jinan 250014，China；4.Delphi（Shanghai）Dynamics＆Propulsion Systems Co.，Ltd.，Shanghai200131，China）

As an alternative fuel，methanol directly applied in liquid form will corrode engine.Using exhaust heat to methanol cracking after burning，can effectively alleviate the problem of cold start behavior ofmethanol.This paper focuses on the light-off characteristics ofmethanol reformer and its influencing factors in engine's cold starting.The testing results show that the light-off time significantly increases when engine block and exhaust pipe are at lower temperature.The light-off process can be speeded up by raising engine's load and speed after starting as well as reduce spark advance.Road simulation results indicate that the reformer temperature rising speed would be reduced for heat dissipating caused by airmotion intensification.Methanol reforming is affected by the temperature of methanol reformer，and it is necessary to cover the exhaust pipe and the reformer system with heat insulation materials in real application.

engine；methanol reformer；light-off characteristics

TK418.9

A

1673-7644（2014）06-0525-05

2014-06-06

吳亞蘭（1964-），女，副教授，碩士，主要從事汽車設計研究等方面的研究.E-mail:WYLCZF＠126.com