余熱氣化甲醇燃料對內(nèi)燃機(jī)性能的影響*

付建勤，劉敬平，鄧幫林，周 峰，朱國輝

(湖南大學(xué) 先進(jìn)動力總成技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410082)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油需求量與日俱增，出現(xiàn)了明顯的供不應(yīng)求的局面，導(dǎo)致國際油價一直持續(xù)上漲.同時，石油是不可再生能源，資料表明，全球石油保守估計還能開采30～40年.因此，在石油資源日益匱乏以及國際油價日益飆升的雙重壓力下，尋求替代石油的內(nèi)燃機(jī)燃料已經(jīng)引起世界各國的高度重視.內(nèi)燃機(jī)代用燃料是緩解能源危機(jī)的一條重要途徑[1].甲醇作為內(nèi)燃機(jī)代用燃料，因其具有來源廣、價格低、可再生等優(yōu)點，而成為廣為研究的熱點，并被普遍認(rèn)為具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3].然而，甲醇直接作為內(nèi)燃機(jī)代用燃料，因其氣化潛熱較大，使得在噴射及燃燒時產(chǎn)生一系列問題.目前較多的研究是將甲醇與汽油或柴油進(jìn)行摻雜燃燒[4-7]，也有學(xué)者提出將甲醇進(jìn)行熱解制氫[8]后作為內(nèi)燃機(jī)的燃料從而實現(xiàn)節(jié)能的目的.為了實現(xiàn)純甲醇在內(nèi)燃機(jī)上直接應(yīng)用并具有優(yōu)越的性能，本文提出采用內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱蒸發(fā)、氣化甲醇，并將該方案同時應(yīng)用于自然吸氣式和增壓發(fā)動機(jī)上.通過與發(fā)動機(jī)燃用汽油時的性能進(jìn)行對比，驗證該汽油機(jī)升級為甲醇蒸汽發(fā)動機(jī)及其增壓方式的優(yōu)越性及可行性.

1 基于廢熱氣化甲醇的燃料供給方案

1.1 甲醇燃料特性分析

表1給出了甲醇和汽油的主要理化特性比較.甲醇作為內(nèi)燃機(jī)代用燃料具有如下特點：密度與汽油相近，容易儲存，便于運輸；辛烷值高，稀燃范圍十分寬泛，允許內(nèi)燃機(jī)使用較高的壓縮比(容易實現(xiàn)增壓)；甲醇分子中含氧50%，燃燒速度快，自身含氧助燃，燃燒充分，既能提高熱效率又可實現(xiàn)機(jī)內(nèi)凈化(降低CO和HC等有害氣體排放).

表1 甲醇與汽油的主要理化特性比較

但是，甲醇作為內(nèi)燃機(jī)直接燃料仍存在一些問題，主要表現(xiàn)在：甲醇單位體積的熱值低，低溫起動性較差；著火溫度較高，通常只能點燃而不易壓燃；甲醇?xì)饣瘽摕岷芨撸苯幼鳛槿剂显跉饣^程中大量吸熱，造成進(jìn)氣管及噴油嘴溫度很低，致使氣化不好，出現(xiàn)甲醇燃燒不凈和噴油嘴堵塞現(xiàn)象；此外，甲醇在缸內(nèi)氣化和裂解反應(yīng)要吸收更多的熱量，這就導(dǎo)致了缸內(nèi)燃燒溫度降低，熱效率下降.因此，有必要對甲醇混合氣的組織方式做一定的改進(jìn).

1.2 基于余熱回收的甲醇蒸汽發(fā)動機(jī)

根據(jù)液態(tài)甲醇在內(nèi)燃機(jī)上直接應(yīng)用會出現(xiàn)的問題，提出以下兩種改進(jìn)方案：

1)采用內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱加熱、氣化甲醇，實現(xiàn)甲醇在氣道以氣態(tài)噴射.這樣就會改善以液態(tài)甲醇在氣道噴射時出現(xiàn)的一系列問題，同時可以有效地回收內(nèi)燃機(jī)的廢氣余熱，用以提升甲醇燃料的低熱值.圖1所示為其方案原理.由圖可見，該新型甲醇蒸汽供給方案是由傳統(tǒng)燃料供給系統(tǒng)改進(jìn)而來的，并與內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收裝置(甲醇蒸發(fā)器)耦合而成，從而形成一套基于廢氣余熱回收的甲醇蒸汽發(fā)生器.該蒸汽發(fā)生器由甲醇箱、液壓泵、蒸發(fā)器、噴射器等組成.其中，液壓泵起著輸送甲醇并給甲醇加壓的作用，蒸發(fā)器利用廢氣余熱將甲醇蒸發(fā)氣化，噴射器用來精確控制甲醇蒸汽噴射量.在內(nèi)燃機(jī)冷啟動時，可以通過外部加熱(例如電熱絲等)的方式產(chǎn)生甲醇蒸汽.

圖1 甲醇蒸汽發(fā)動機(jī)示意圖(自然吸氣)

2)甲醇以氣態(tài)在氣道噴射，雖然與空氣的混合效果會更好，但是由于甲醇的空燃比較低，以氣態(tài)甲醇進(jìn)入氣缸會影響發(fā)動機(jī)的充氣效率，使發(fā)動機(jī)的動力性有所下降.為進(jìn)一步提升甲醇蒸汽發(fā)動機(jī)的動力性，可以將方案1進(jìn)一步改為渦輪增壓、進(jìn)氣中冷的方式.由于甲醇辛烷值高于汽油，因此燃用甲醇時可以允許更高的增壓壓力.具體方案原理如圖2所示.

以上兩個方案的共同特點是有效回收了內(nèi)燃機(jī)的廢氣余熱，用以提升內(nèi)燃機(jī)燃料的低熱值，將液體燃料改良為氣體燃料[9].

3)原機(jī)為某型自然吸氣式、排量為1 L的乘用車用汽油機(jī)，將其作為研究對比的基礎(chǔ).

下面將對這兩種新型的甲醇蒸汽發(fā)動機(jī)的性能與原汽油機(jī)進(jìn)行對比，綜合分析以上3種發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性及其影響因素，論證廢氣余熱氣化甲醇在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)越性及節(jié)能潛力.

1.3 甲醇熱力過程分析

圖3所示為甲醇在底循環(huán)系統(tǒng)中加壓、蒸發(fā)、噴射等熱力變化過程的T-s圖.結(jié)合該圖，對廢氣余熱氣化甲醇應(yīng)用在發(fā)動機(jī)上的熱力過程進(jìn)行描述.1點為甲醇從甲醇箱流出的初始狀態(tài)(初始壓力為0.1 MPa)；1-2過程為甲醇在液壓泵中的加壓過程；2點為甲醇加壓之后的狀態(tài)，經(jīng)過液壓泵加壓后，將甲醇壓力提升到預(yù)定值(例如0.5 MPa)；2-3過程為甲醇在蒸發(fā)器中的加熱過程；3點為甲醇加熱后的蒸汽狀態(tài)；通過1-2-3過程，甲醇由常壓下的液態(tài)變?yōu)楦邏旱恼羝麪顟B(tài)；3-4(4’)過程表示高壓甲醇蒸汽在進(jìn)氣道的膨脹(噴射)過程，通過該過程，實現(xiàn)高壓甲醇蒸汽與進(jìn)氣道空氣的均勻混合.4(4’)點為甲醇蒸汽在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道噴射后的狀態(tài).

圖3 甲醇熱力過程的T-s圖

2 改進(jìn)方案的應(yīng)用

2.1 研究對象介紹及數(shù)模建立

原汽油機(jī)的基本性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示.首先針對原機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的性能試驗和對比分析，為本研究提供各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括摩擦有效壓力，氣道流量系數(shù)等.然后根據(jù)該汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和實驗數(shù)據(jù)，利用內(nèi)燃機(jī)性能仿真的專用軟件GT-power，建立其GT-power計算模型，實現(xiàn)對整機(jī)熱力循環(huán)和缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換過程的精確模擬.該模型主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、氣缸和曲軸箱、排氣系統(tǒng)3大塊構(gòu)成，如圖4所示.模型中進(jìn)出口邊界條件(壓力和溫度)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)參數(shù).根據(jù)實測缸壓曲線，采用自編程序計算發(fā)動機(jī)燃燒放熱率，并以此為基礎(chǔ)標(biāo)定燃燒模型；根據(jù)實測的發(fā)動機(jī)過量空氣系數(shù)，參照已有的燃燒效率曲線來校準(zhǔn)缸壓曲線計算結(jié)果.機(jī)械摩擦損失、氣道流量系數(shù)等均由實驗數(shù)據(jù)標(biāo)定.

表2 汽油機(jī)主要參數(shù)

圖4 原機(jī)GT-power數(shù)模

2.2 模型標(biāo)定和計算

仿真模型建立后，將外特性下GT-power計算得出的性能數(shù)據(jù)(進(jìn)氣流量)與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證該模型的精確度與可信度，如圖5所示.通過比較分析可以看出，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)氣流量的計算值和實驗值基本一致，最大誤差在5%以內(nèi)，表明該GT-power計算模型具有足夠的精度.

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

然后，將原自然吸氣式發(fā)動機(jī)升級為廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī).以預(yù)定增壓壓力為目標(biāo)(目標(biāo)增壓壓力為0.15 MPa )，以增壓器工作特性為參考依據(jù)，通過自行開發(fā)的基于通流特性的發(fā)動機(jī)與增壓器預(yù)匹配軟件對多種增壓器進(jìn)行初選，然后通過GT-power軟件反求計算驗證，得出綜合性能最佳的匹配效果.增壓升級后的GT-power數(shù)模如圖6所示.在該模型中，不但加入了增壓和中冷模塊，還啟用了爆震指數(shù)監(jiān)測模塊(用以監(jiān)測缸內(nèi)是否爆震)，增壓壓力控制模塊(當(dāng)增壓壓力超過預(yù)定值后，打開放氣閥).

圖6 增壓升級后的GT-power數(shù)模

2.3 底循環(huán)能量流匹配

如前所述，該方案是利用內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱將甲醇加熱氣化，從而達(dá)到改良燃料、提升甲醇燃料低熱值的目的.甲醇從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，其低熱值從19.92 MJ/kg上升到21.02 MJ/kg，燃料熱值提升率約為5.5%(需要大于5.5%的燃料能量加熱液態(tài)甲醇).由內(nèi)燃機(jī)的熱平衡分析可知[10-11]，廢氣能量約占內(nèi)燃機(jī)燃料能量的25%～35%.因此，內(nèi)燃機(jī)廢氣可以保證提供足夠的余熱能量氣化甲醇.圖7給出了方案1(非增壓甲醇蒸汽發(fā)動機(jī))中底循環(huán)回收的廢氣余熱，即通過改良燃料回收的內(nèi)燃機(jī)廢氣能量.由圖可見，對于排量為1 L的內(nèi)燃機(jī)，在外特性下最大可以回收8.4 kW的廢氣能量，用于提升燃料的低熱值.因此，通過改良甲醇燃料回收內(nèi)燃機(jī)廢熱的潛力是很明顯的.圖8為噴射后的甲醇蒸汽與進(jìn)氣混合后的混合氣溫度.對于增壓發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣壓力在0.145 MPa左右，甲醇的蒸發(fā)溫度大約為73 ℃；對于自然吸氣發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣壓力稍低于0.1 MPa，甲醇蒸發(fā)溫度在64 ℃左右.從圖中可以看到，對于增壓和自然吸氣兩種情況，均能保證混合氣溫度高于甲醇蒸發(fā)溫度，保證甲醇以氣態(tài)形式進(jìn)入氣缸.

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

3 結(jié)果比較分析

3.1 動力性比較

首先比較3種方案的內(nèi)燃機(jī)動力性.圖9所示為外特性下3種內(nèi)燃機(jī)的有效功率對比.可以看出，在自然吸氣式發(fā)動機(jī)上燃用甲醇蒸汽后，有效功率較原汽油機(jī)稍有下降，最大下降率為7.1%，在大多數(shù)轉(zhuǎn)速點，有效功率下降率在5%左右.而當(dāng)甲醇蒸汽應(yīng)用在增壓發(fā)動機(jī)上時，這種情況得到較大改善.除轉(zhuǎn)速1 000 r/min和1 500 r/min外(此時增壓壓力未達(dá)到目標(biāo)值)，增壓甲醇發(fā)動機(jī)的有效功率較非增壓甲醇發(fā)動機(jī)和汽油機(jī)都有明顯上升，并且隨著轉(zhuǎn)速的增大，功率增加更明顯.

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

下面來分析產(chǎn)生以上結(jié)果的原因.對采用“變量調(diào)節(jié)、均質(zhì)燃燒”的點燃式內(nèi)燃機(jī)而言，充氣效率是影響其動力性的根本原因[12].由于燃用甲醇的理論空燃比比燃用汽油小得多，所以當(dāng)甲醇以氣態(tài)噴射后，甲醇蒸汽會占據(jù)一定的氣缸容積，從而影響內(nèi)燃機(jī)的充氣效率，使得內(nèi)燃機(jī)充氣效率較燃用汽油有明顯下降，如圖10所示.當(dāng)采用進(jìn)氣增壓后，充氣效率(以環(huán)境大氣為參考標(biāo)準(zhǔn))有較大的回升.充氣效率的差別，最終影響了內(nèi)燃機(jī)每循環(huán)的燃燒放熱量.雖然甲醇低熱值小于汽油的一半，但是燃燒單位質(zhì)量的甲醇需要的空氣量小于燃燒單位質(zhì)量汽油所需空氣量的一半.同時，采用內(nèi)燃機(jī)余熱氣化甲醇，提升了甲醇燃料的低熱值，最終導(dǎo)致每單位質(zhì)量的空氣燃燒甲醇時能釋放比燃燒汽油更多的能量.于是，盡管以甲醇蒸汽噴射使進(jìn)氣量(充氣效率)有所下降，但是每循環(huán)燃燒甲醇蒸汽的放熱量與燃燒汽油相比相差不大.通過以上因素綜合影響，最終導(dǎo)致燃用甲醇蒸汽后內(nèi)燃機(jī)的動力性下降并不明顯，而采用進(jìn)氣增壓后，動力性能有較大的提升裕度.

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

3.2 經(jīng)濟(jì)性比較

內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要是比油耗.但是由于甲醇和汽油的低熱值不同，常規(guī)的比油耗也就不具可比性.為了方便評價和比較內(nèi)燃機(jī)燃用甲醇和汽油時的經(jīng)濟(jì)性，定義了當(dāng)量比油耗，如式(1)所示：

(1)

式中：HLm為甲醇低熱值，MJ/kg；HLg為汽油低熱值，MJ/kg；Gm為甲醇有效燃油消耗率，g/h；Pe為內(nèi)燃機(jī)有效功率，kW.

定義內(nèi)燃機(jī)熱效率提升：

ηinp=η1-η2．

(2)

式中：η1為甲醇發(fā)動機(jī)熱效率；η2為原汽油機(jī)熱效率．

圖11給出了內(nèi)燃機(jī)在外特性下3種方案的有效熱效率.可以看出，在自然吸氣發(fā)動機(jī)上燃用甲醇蒸汽后，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有效熱效率較燃用汽油有明顯上升，最大可提升3.0個百分點.這是因為采用余熱氣化甲醇，通過回收部分廢氣能量提升了燃料的低熱值，所以當(dāng)以液態(tài)甲醇低熱值為參考基準(zhǔn)時，燃用甲醇蒸汽的熱效率有顯著上升.但另一方面，甲醇蒸汽在自然吸氣發(fā)動機(jī)上直接應(yīng)用，其熱效率的提升受到平均有效壓力下降的制約.根據(jù)內(nèi)燃機(jī)能量流分布規(guī)律，平均有效壓力在很大程度上決定了內(nèi)燃機(jī)的熱效率.換句話說，通過回收余熱、改良燃料的正面影響被平均有效壓力下降的負(fù)面影響削弱了一部分.采用進(jìn)氣增壓后，內(nèi)燃機(jī)的熱效率可以得到進(jìn)一步提升，較原汽油機(jī)最大可以提升4.0個百分點.這是因為增壓后平均有效壓力得到顯著提高的緣故.圖12給出了在外特性下內(nèi)燃機(jī)燃用不同形式燃料的比油耗(燃用甲醇為當(dāng)量比油耗).由圖可見，在自然吸氣發(fā)動機(jī)上燃用甲醇蒸汽后，當(dāng)量比油耗較原汽油機(jī)有明顯的下降，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均下降40 g/(kW·h)左右，最大下降量出現(xiàn)在最高轉(zhuǎn)速.在增壓發(fā)動機(jī)上燃用甲醇蒸汽后，當(dāng)量比油耗進(jìn)一步下降，但是下降的幅度有限.綜合圖11和圖12可見，采用余熱氣化甲醇改良燃料比采用進(jìn)氣增壓具有更大的節(jié)能潛力.

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

4 結(jié) 論

采用內(nèi)燃機(jī)余熱氣化甲醇后，燃料熱值得到提升，但由于充氣效率的下降導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)功率稍微有所下降，與原汽油機(jī)相比功率最大下降率為7.1%；經(jīng)濟(jì)性有所改善，熱效率最多可提高3.0個百分點.

采用進(jìn)氣增壓可以恢復(fù)甲醇蒸汽發(fā)動機(jī)的充氣效率，從而可以提升甲醇蒸汽發(fā)動機(jī)的動力性，并通過提高其工作負(fù)荷，進(jìn)一步改善甲醇蒸汽發(fā)動機(jī)的熱效率.相比之下，增壓對甲醇蒸汽發(fā)動機(jī)的動力性提升更明顯，對熱效率的提升程度極其有限；廢氣余熱氣化甲醇燃料比增壓具有更大的節(jié)能潛力.因此，“余熱氣化甲醇、進(jìn)氣增壓”是一種非常有節(jié)能潛力的新型甲醇燃燒方案.

綜上，本文提出的采用內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱氣化甲醇、將液態(tài)甲醇改良為甲醇蒸汽的新型燃料供給方案，能有效解決甲醇直接作為代用燃料的一系列問題，實現(xiàn)甲醇在內(nèi)燃機(jī)上的直接應(yīng)用，并具有顯著的節(jié)能潛力，能有效減輕我國石油供應(yīng)緊張的壓力.

[1] 姚春德, 段峰, 李云強(qiáng), 等. 柴油/甲醇組合燃燒發(fā)動機(jī)的燃燒特性與排放[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2005, 11(3): 214-217.

YAO Chun-de, DUAN Feng, LI Yun-qiang,etal. Combustion characteristics and emissions of the compound combustion of the diesel engine[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2005, 11(3): 214-217.(In Chinese)

[2] 李本正, 宮艷峰, 劉圣華, 等. 甲醇缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的燃燒特性[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2008, 42(11): 1372-1376.

LI Ben-zheng, GONG Yan-feng, LIU Sheng-hua,etal. Combustion characteristics of a direct-injection spark-ignition methanol engine[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2008, 42(11): 1372-1376.(In Chinese)

[3] 李瓊玖, 申同賀, 孟仲林, 等. 中國發(fā)展煤炭清潔轉(zhuǎn)化制甲醇是替代石油能源的最佳選擇[J]. 中外能源, 2006, 11(4):1-8.

LI Qiong-jiu, SHEN Tong-he, MENG Zhong-lin,etal. Methonal production by coal clean reforming is the optimum option for China to replace oil energy[J]. China Foreign Energy, 2006, 11(4):1-8.(In Chinese)

[4] 張俊強(qiáng), 盧紅兵, 王錫斌, 等. 直噴式柴油機(jī)燃用甲醇/柴油混合燃料的燃燒及排放特性[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2004, 10(2): 171-175.

ZHANG Jun-qiang, LU Hong-bing, WANG Xi-bin,etal. Combustion and emission characteristics of a DI diesel engine fueled by diesel-methanol blends[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2004, 10(2): 171-175.(In Chinese)

[5] 鄒洪波, 王利軍, 劉圣華. 引燃柴油量對甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)性能和排放的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報, 2007, 25(5): 422-427.

ZOU Hong-bo, WANG Li-jun, LIU Sheng-hua. Effect of pilot diesel quantity on the performance and emissions of dual fuel engine operating with methanol and diesel[J]. Transactions of CSICE, 2007, 25(5): 422-427.(In Chinese)

[6] 姚春德, 程傳輝, 段峰, 等. 柴油/甲醇的組合燃燒對廢氣渦輪增壓柴油機(jī)排放的影響研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報, 2005, 23(2): 119-123.

YAO Chun-de, CHENG Chuan-hui, DUAN Feng,etal. Effects of diesel/methanol compound combustion on emissions of turbocharged diesel engine[J]. Transactions of CSICE, 2005, 23(2): 119-123.(In Chinese)

[7] HUANG Zuo-hua, LU Hong-bing, JIANG De-ming,etal. Performance and emissions of a DI diesel engine operating on diesel/methanol blends[J].Transactions of CSICE, 2004, 22(1): 7-16.

[8] 張波, 傅維鑣. 燃料熱解制氫在柴油機(jī)上的節(jié)油研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2006, 27(4): 77-80.

ZHANG Bo, FU Wei-biao. Study of fuel saving with supplying hydrogen to diesel engine by fuel pyrolysis[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2006, 27(4): 77-80.(In Chinese)

[9] 李格升, 游伏兵, 高孝洪. 含水酒精在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版, 2008, 32(6) : 994-997.

LI Ge-sheng, YOU Fu-bing, GAO Xiao-hong. Research on the application of hydrated alcohol for engine[J]. Journal of Wuhan University of Technology：Transportation Science & Engineering, 2008, 32(6): 994-997.(In Chinese)

[10]FU J Q, LIU J P, FENG R H,etal. Energy and exergy analysis on gasoline engine based on mapping characteristics experiment[J]. Applied Energy, 2013, 102(2): 622-630.

[11]TAYMAZ I. An experimental study of energy balance in low heat rejection diesel engine[J]. Energy, 2006, 31(2):364-371.

[12]LIU J P, BINGHAM J F. A study on the intake pressure wave actions and volumetric efficiency-speed characteristics of multi-cylinder engines[J]. Transactions of CSICE, 1997, 15(2): 138-150.