EGR回路噴甲醇在柴油機上的應用研究

胡廣，王炳輝，陳永芳，蘇永衡

(1.寧波大學海運學院，浙江 寧波 315211； 2.浙江國際海運職業技術學院船舶工程學院，浙江 舟山 316021)

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EGR回路噴甲醇在柴油機上的應用研究

胡廣1，王炳輝1，陳永芳2，蘇永衡1

(1.寧波大學海運學院，浙江 寧波 315211； 2.浙江國際海運職業技術學院船舶工程學院，浙江 舟山 316021)

在YC6A220C柴油機上進行了進氣道噴甲醇結合EGR的試驗研究，在保持原柴油機動力性基本不變的基礎上，研究了在不同負荷下，選用不同的EGR率和不同甲醇消耗率對原機的動力性、經濟性、NOx和炭煙排放的影響。研究結果表明：單純地使用EGR對于降低NOx效果比較明顯，但是難以同時降低炭煙的排放，尤其當EGR率超過30%時，隨著EGR率或者負荷的增加炭煙也急劇增加。向回路噴入適量甲醇后，不但可以保證NOx排放減少，而且炭煙排放也可以大幅度降低。在1 500 r/min(最大扭矩轉速)下，在EGR率為20%～35%，甲醇消耗率為50～70 g/(kW·h)范圍內，可以同時降低NOx和炭煙排放。發動機的動力性和燃油消耗略有降低，排放水平均低于燃用0號柴油。

柴油機； 廢氣再循環； 動力性； 經濟性； 氮氧化合物； 炭煙

目前，國內對于柴油機上燃用甲醇的研究一般都著重于柴油-甲醇的乳化燃料方面。柴油-甲醇乳化液的性質不穩定，久置易分層，且不利于儲存，為此，本試驗采用在外部循環EGR回路進氣道內噴甲醇的方式，避免了柴油-甲醇直接乳化所產生的問題。柴油機正常工作時尾氣余熱溫度可高達300～400 ℃，而甲醇的沸點為64.7 ℃，利用尾氣余熱足以將甲醇汽化，隨著尾氣一同進入柴油機氣缸中。甲醇還可以起到增氧的作用，減少廢氣排放量，使尾氣中的HC含量降低。而且由于甲醇具有較高的汽化潛熱，在汽化形成混合氣時吸收熱量，能有效降低進氣溫度，提高充氣系數，在一定程度上還可以減少NOx的生成。

本研究在YC6A220C柴油機上進行進氣道汽化甲醇結合EGR技術的臺架試驗，對比分析甲醇消耗率和EGR率對柴油機經濟性和排放性的影響，選擇合適的EGR率和甲醇消耗率，在維持原機動力性和經濟性基本不變的基礎上，降低NOx和炭煙的排放。

1 試驗裝置及方法

試驗采用YC6A220C柴油機，其主要技術參數見表1。主要試驗設備見表2。本試驗從排氣管引出廢氣，廢氣冷卻后進入進氣道，在進氣道中噴入甲醇，利用廢氣余熱將甲醇汽化，甲醇蒸汽隨著廢氣一起進入氣缸內燃燒。

表1 YC6A220C柴油機主要技術參數

表2 主要測試設備

由于受原機結構的限制，本試驗EGR系統從渦輪后引出廢氣(見圖1)。高溫廢氣引出后，利用柴油機的冷卻水冷卻至合適的溫度。試驗表明，將氣體溫度控制在95 ℃左右可以保證試驗中按最大噴醇量噴入的甲醇能被全部汽化。EGR率可以通過EGR閥及排氣背壓閥來調節。EGR率的計算公式[1]為

γEGR=1-φeo(CO2)/φee(CO2)。

式中：φee(CO2)為采用EGR時排氣管中CO2的體積分數；φeo(CO2)為未采用EGR時排氣管中CO2體積分數。無EGR時φee(CO2)=φeo(CO2)。

為了研究不同工況下進氣道噴甲醇結合EGR技術對燃燒和排放的影響，用測功機改變柴油機的功率，選取一系列具有代表性和實用性的工況點進行分析，負荷依次選取10%，25%，50%，75%，100%。

2 EGR與進氣道噴甲醇相結合對柴油機性 能的影響分析

由于需要控制的變量很多，因此，本試驗分別采用以下三種組合方式：1)同EGR率、同甲醇消耗率；2)不同EGR率、同甲醇消耗率；3)同EGR率、不同甲醇消耗率。通過這三種不同的組合方式來分析EGR與進氣道噴甲醇相結合對柴油機性能的影響。

通過試驗可知，在甲醇消耗率為65.5 g/(kW·h)、EGR率為25%時，NOx和炭煙排放能夠同時降低到最佳水平，因此本研究甲醇消耗率固定不變時取65.5 g/(kW·h)，EGR率固定不變時取25%。

2.1 同EGR率、同甲醇消耗率時的性能分析

圖2示出甲醇消耗率為65.5 g/(kW·h)、EGR率為25%時柴油機的動力性和經濟性的對比。由圖2可知，采用25%的EGR率時，與原機無EGR時相比，扭矩下降了4.7%～9.3%，燃油消耗率(僅指消耗的柴油，不包括噴入的甲醇)增加了2.2%～5.6%。這是由于柴油機應用EGR技術后，引入的廢氣稀釋了進入氣缸的新鮮空氣，提高了混合氣的熱容量，導致最高燃燒壓力降低[2]，進而使柴油機的動力性下降。燃油消耗率增加的主要原因是由于EGR稀釋了進氣中的O2，使氣缸內的過量空氣系數減小，導致燃料不能夠完全燃燒，后燃增加，燃料利用率降低，燃油消耗率增加。

EGR回路噴入甲醇后，扭矩下降的幅度進一步增大，燃油消耗率相比原機略有降低，與只采用EGR相比，扭矩降低了4.9%～5.8%。這是因為甲醇的熱值低于0號柴油，在每循環供油量沒增加的情況下，燃料放出的熱量減少，必然會導致柴油機動力性降低。由于噴入的甲醇代替了部分燃油，使得燃油消耗率也降低了9.4%～14.4%。

圖3示出柴油機在1 500 r/min時NOx的排放隨負荷的變化關系。總體來看，隨著負荷的增加，NOx排放大幅度增加。與原機相比，采用EGR技術后NOx排放降低了15.9%～31.2%。原因在于：一方面，這是熱容原理的具體應用；另一方面，廢氣的引入稀釋了進氣中的O2。兩個方面共同作用破壞了NOx高溫富氧的生成條件，因此使用EGR可以降低NOx的生成。而噴入甲醇后，NOx降低了29.9%～40.6%，這是由于甲醇汽化的過程中吸收了大量的熱，不但有利于降低氣缸內的溫度，而且甲醇的燃燒速度快，縮短了混合氣在高溫下的滯留時間，減少了后燃，兩個因素都能夠抑制NOx的生成。NOx排放降低的效果比單純采用EGR效果更好。

圖4示出在1 500 r/min時炭煙的排放隨負荷的變化關系。由圖4可知，在只采用EGR技術的情況下，當負荷小于31%時，炭煙略有降低，當負荷超過31%時，炭煙的排放量超過原機。這說明只采用EGR技術難以降低炭煙的排放。EGR回路中噴入甲醇可以大幅度降低炭煙的排放[3-4]，與原機相比炭煙的排放量降低了15.7%～32.6%。這是因為：1)甲醇的含氧量高達50%，能起到增氧的作用；2)本試驗的甲醇是以氣態進入氣缸參與燃燒，能夠與空氣形成較均勻的混合氣，使燃燒更加充分；3)由于甲醇不含C—C鍵，燃燒不生成炭煙顆粒，用甲醇取代柴油減少了炭煙顆粒的生成。

2.2 不同EGR率、同甲醇消耗率時的性能分析

由于試驗中噴入的甲醇必須要借助廢氣循環才能夠到達氣缸，當EGR率為5%時，廢氣能將噴醇量為65.5 g/(kW·h)的甲醇送入氣缸，因此本組試驗取最低EGR率為5%。

圖5示出在轉速為1 500 r/min，甲醇消耗率為65.5 g/(kW·h)時不同負荷下EGR率對柴油機動力性的影響。由圖可以看出，隨著EGR率的增大，柴油機的動力性降低，在小負荷時下降趨勢比大負荷時明顯。在同一負荷下，EGR率越高，下降越明顯。這是因為當EGR率較低時，廢氣中噴入的甲醇導致進氣含氧量仍然較高，占主導因素，EGR率的影響較小。當EGR率增大后，大量的廢氣稀釋了進入氣缸的新鮮空氣，提高了混合氣的熱容量，降低了最高燃燒壓力，使輸出扭矩減小，動力性降低。

圖6示出在1 500 r/min，甲醇消耗率為65.5 g/(kW·h)時不同負荷下EGR率對柴油機燃油消耗率的影響。由圖6可以看出，柴油機的燃油消耗率隨著EGR率的增大而升高，尤其當EGR率超過30%時比較明顯。且負荷越大，升高的幅度也越大，在75%負荷時，最大升高幅度可達4.2%。原因是大的EGR率降低了進氣空氣的氧濃度，使缸內過量空氣系數減小，燃料不能完全燃燒，后燃增加，燃料利用率降低，增加了燃料消耗率。所以，有效燃油消耗率隨著EGR率的增大而不斷增加，EGR率越大，效果越明顯。

由圖7可知，在同一負荷時隨著EGR率的不斷增大，NOx的排放大幅度降低，且負荷越大，降低越明顯。EGR對降低發動機NOx排放的主要機理有以下幾個方面：1)引入的廢氣中含有大量的CO2和水蒸氣等三原子氣體分子，而三原子氣體的比熱容較高[5]，可以降低氣缸內的燃燒溫度，抑制了NOx的生成；2)廢氣稀釋了進氣中的氧氣，破壞了生成NOx的富氧條件；3)由于廢氣中含有大量的N2和CO2等接近惰性的氣體，起到了摻合新鮮進氣的作用，減緩了燃燒速度；4)EGR氣體替代了進入氣缸中的部分N2，使NOx排放大幅度減小。這些因素都能有效抑制NOx的生成。

圖8示出EGR率對柴油機炭煙排放的影響。由圖可知，當EGR率在30%以下時，隨著EGR率的增加，炭煙會有小幅度的增加。當EGR率超過30%時，炭煙隨著EGR率的增大而急劇增加，且負荷越大，炭煙增幅就越大。這是由于在低EGR率時，引入的廢氣較少，且噴入的甲醇起到了增氧的作用，抑制了炭煙的生成。而在高EGR率時，引入的大量廢氣使燃料在高溫條件下嚴重缺氧，燃燒惡化，從而使炭煙的生成量急劇增加[6]。

2.3 同EGR率、不同甲醇消耗率時的性能分析

圖9示出EGR率相同時甲醇消耗率對柴油機動力性的影響。由圖9可以看出，進氣道噴入的甲醇量越多，柴油機輸出的扭矩下降的也越多，當甲醇消耗率為100 g/(kW·h)時，相比較不噴入甲醇時，柴油機的最大扭矩由707.2 N·m下降到664.1 N·m，減少了6.1%。甲醇的加入使混合燃料的低熱值降低，導致發動機功率有下降趨勢。又由于甲醇的沸點低，含氧量高，有利于柴油的擴散[7]，進而改善燃燒，使燃燒的持續期縮短。因此，隨著混合氣中甲醇質量分數的增加，燃燒特性的改變使發動機的功率下降幅度慢慢變小。

圖10示出EGR率相同時甲醇消耗率對柴油機NOx排放的影響。由圖10可知，當甲醇消耗率小于60 g/(kW·h)時，隨著甲醇消耗率的增大，NOx的排放量降低，降幅可達3.8%～21%。而當甲醇消耗率超過60 g/(kW·h)時，隨著甲醇消耗率的增大，NOx排放反而呈上升的趨勢。當噴入的甲醇量較少時，甲醇能降低NOx排放，這是由甲醇的理化特性決定的。首先，甲醇的汽化潛熱高，降低了混合氣的溫度，使整個燃燒的最高溫度降低，從而抑制了NOx的生成和排放；其次，甲醇的燃燒速度比柴油快，縮短了高溫滯留時間，減少了后燃，抑制了NOx的生成。而當甲醇噴入量較多時，甲醇的高含氧量為NOx的生成提供了富氧環境，加劇了霧化過程中的“微爆效應”[8-9]，促進了NOx的生成。所以綜合來看，噴入甲醇可以降低NOx的排放，但是噴入甲醇的量應該適中，過大反而會增加NOx的排放。

圖11示出EGR率相同時甲醇消耗率對柴油機炭煙排放的影響。由圖11可知，隨著甲醇消耗率的增加，炭煙的排放大幅度降低。與不噴入甲醇相比，當甲醇消耗率為100 g/(kW·h)時，炭煙的降幅高達50.7%～59.7%。其原因是噴入的甲醇代替了部分柴油，由于甲醇含氧量高，混合燃料的空燃比也提高，且甲醇易于霧化，使得混合燃料在擴散燃燒時過濃區減少，因而炭煙排放降低[10]，當甲醇消耗率不超過100 g/(kW·h)時，噴入的甲醇量越多，則炭煙排放越低。

3 結論

a) EGR回路噴甲醇的技術可以實現同時降低NOx和炭煙的排放，但是會使柴油機的動力性下降4.7%～9.3%，在中、高負荷時柴油機燃油消耗率增加2.2%～5.6%；

b) 當發動機轉速為1 500 r/min時，EGR率在20%～35%，甲醇消耗率在50～70 g/(kW·h)范圍內，既能保證柴油機的動力性和經濟性下降不超過6%，又能夠有效降低NOx和炭煙的排放；

c) 當甲醇消耗率小于65.5 g/(kW·h)時，隨著噴醇量的增加，NOx和炭煙都有所降低；當甲醇消耗率超過65.5 g/(kW·h)時，還能繼續降低炭煙，但是NOx的排放反而有上升的趨勢；

d) EGR率和噴醇量合理匹配，不但可以維持發動機的動力性和經濟性基本不變，而且在一定程度上能改善發動機的燃燒過程，拓寬發動機的工作范圍，降低NOx和炭煙的排放。

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Application of Methanol Injection in EGR Intake Port on Diesel Engine

[編輯：潘麗麗]

HU Guang1，WANG Bing-hui1，CHEN Yong-fang2，SU Yong-heng1

(1.Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University，Ningbo 315211, China；

2.Ship Engineering College，Zhejiang International Maritime College，Zhoushan 316021，China)

The experiment of methanol injection in EGR intake port was conducted on YC6A220C diesel engine.Based on the original power of diesel engine, the influences of EGR rate and methanol consumption on power, fuel economy, NOxand soot emissions were researched.The results showed that single EGR strategy could reduce NOxemission obviously, but could hardly reduce soot emission at the same time.Especially, soot emission would increase rapidly with the increase of EGR rate or load when EGR rate was beyond 30%.The methanol addition guaranteed the simultaneous reduction of NOxand soot emissions.At the condition of maximum torque rotating speed of 1 500 r/min, 20%～35% EGR rate and 50～70 g/(kW·h) methanol specific consumption, NOxand soot emissions could decrease simultaneously.Moreover, the engine power and fuel consumption decreased slightly and the emissions were lower than that of 0# diesel.

diesel engine； EGR； power； fuel economy； nitrogen oxides； soot

2014-10-13；

2014-11-26

胡廣(1987—)，男，碩士，研究方向為節約能源和環境保護；longxiaoxia2014@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.008

TK427

B

1001-2222(2015)02-0040-05