甲醇和EGR相結合對柴油機排放的影響*

胡　廣　王炳輝　蘇永衡　苗永超（寧波大學海運學院　浙江　寧波　315211）

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甲醇和EGR相結合對柴油機排放的影響*

胡廣王炳輝蘇永衡苗永超
（寧波大學海運學院浙江寧波315211）

在YC6A220C柴油機上進行了往外部EGR回路中噴入甲醇的試驗，研究了不同的甲醇消耗率和不同的EGR率對柴油機排放的影響。試驗結果表明：往EGR回路中噴入甲醇，能夠有效降低碳煙排放，但是會導致CO和HC增加。噴醇量太小，對于降低碳煙和NO x效果不明顯；噴醇量過大，能夠大幅度降低碳煙，但是會導致NO x排放增加。當甲醇消耗率控制在65.5g/（kW·h）左右，EGR率在25%時，NO x和碳煙都能夠降低到一個最低水平。

柴油機EGR甲醇碳煙NO x

引言

柴油機由于其動力性能和經(jīng)濟性能好而被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)和機械交通運輸業(yè)等各個領域。但由于柴油機的碳煙與顆粒以及NO x等尾氣排放比較嚴重而將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。隨著環(huán)保問題的重要性日益增加，能源危機不斷凸顯，排放法規(guī)的日益嚴格，節(jié)能減排是世界各國需要迫切解決的問題。EGR作為一種降低NO x的有效手段而有著廣泛的應用前景；甲醇是一種清潔、高效的燃料，而且來源廣泛，價格相對柴油低廉，柴油機燃用含甲醇燃料可以大大降低碳煙的排放[1]。因此利用EGR技術和在柴油機中摻入甲醇成為近年來研究的熱點課題[2，3]。

由于柴油和甲醇互不相溶，本文構想出在柴油機外部EGR回路中噴入甲醇，利用尾氣余熱將甲醇汽化，隨著尾氣一同進入氣缸中，這樣既解決了柴油和甲醇不互溶的問題，而且用部分甲醇代替柴油有利于節(jié)約成本，降低尾氣排放。本文在YC6A220C型柴油機上進行了EGR回路噴甲醇的試驗，對比分析了采用不同的EGR率以及不同的甲醇消耗率（為方便起見，以下簡稱醇耗率）時對柴油機經(jīng)濟性和排放性的影響，并達到用甲醇替代部分柴油和降低尾氣排放的目的。

1　試驗燃料的特點

本試驗所采用的燃料為0#柴油和甲醇，其特性參數(shù)見表1。甲醇的分子結構簡單，含氧量為50%，因而甲醇參與混合燃燒在一定范圍內可以降低碳煙和CO的排放。甲醇的熱值低，僅為柴油熱值的46%，理論上燃燒所需的空氣量是柴油的45.1%。甲醇分子式為CH3OH，里面含有一個羥基，是極性化合物，能與水互溶，親水性強，與柴油互不相溶[4，5]。由于本試驗利用EGR回路中尾氣余熱將甲醇汽化，隨著尾氣一同進入氣缸，避免了甲醇和柴油互不相溶的問題。

表1甲醇和柴油理化特性參數(shù)

2　試驗裝置及方案

本試驗采用YC6A220C發(fā)動機，主要技術參數(shù)見表2。試驗時發(fā)動機的參數(shù)未做試調整，試驗所需的主要測試設備規(guī)格見表3。EGR選用外部循環(huán)，方便向EGR回路中噴入甲醇。甲醇噴入量的多少可以用自主設計的甲醇泵調控。由于要保證回路噴入的甲醇全部被汽化，試驗表明，當回路的溫度控制在95℃左右可以保證試驗中噴入的甲醇全部被汽化。回路上裝有熱電偶溫度計，以方便檢測并調控溫度；排氣管接汽車排氣分析儀和煙度計，可以測量尾氣和碳煙含量；通過電子示功器來分析柴油機燃燒情況。試驗裝置示意圖如圖1所示。

表2YC6A220C柴油機主要技術參數(shù)

EGR率的大小可以通過調節(jié)EGR閥和排氣背壓閥來調節(jié)，EGR率的計算公式[6]為：

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

對于所選取的每個EGR率，在保證柴油機動力性不降低和所噴入的甲醇能夠被全部汽化的前提下，用盡量多的甲醇去取代柴油，以達到節(jié)油的目的。

3　試驗結果及分析

本試驗主要是從EGR率和負荷兩個方面來分析EGR率和醇耗率的大小對柴油機尾氣排放的影響。由于本試驗需要控制的變量過多，因此只能選擇部分有代表性的工況點來說明。通過試驗可知，當醇耗率為65.5g/（kW·h），EGR率為25%時，NO x和碳煙的排放都能降低到一個最低的水平。因此，本論文沒有特別說明的醇耗率都取為65.5g/（kW·h），EGR率都取為25%，負荷取額定負荷的50%，即81kW，轉速取額定轉速n=1500r/min。

表3 主要測試設備

圖1　試驗裝置示意圖

3.1EGR率對排放的影響

3.1.1NO x的排放濃度

圖2為不同醇耗率和不同EGR率對柴油機NO x排放的影響。由圖可以看出，當EGR率一定時，隨著醇耗率的增大NO x的排放量先減少后增加。且在同一EGR率下，使用較小的EGR時，NO x排放的末值大于初值；使用較大的EGR時，NO x排放的末值小于初值。這是由于當噴醇量較小時，甲醇的汽化吸熱降低了氣缸內的溫度，縮短了燃氣在高溫下的滯留時間。而且引入的廢氣又稀釋了進氣氧濃度，兩者的共同作用抑制了NO x的生成。當噴醇量較大時，甲醇的作用占主導地位，大量甲醇的噴入使混合氣的含氧量增加，為NO x的生成提供了有利的富氧條件[7]促進了NO x的生成。

圖2　 NO x排放對比

3.1.2碳煙的排放

圖3為不同醇耗率和不同EGR率對碳煙排放的影響。雖然EGR可以降低NO x的排放，但是會導致碳煙有所升高。尤其是當EGR率超過40%時，碳煙急劇增加。從圖中很明顯可以看出噴入甲醇后碳煙能夠得到很好的改善，這是因為：一方面甲醇的O/ C比例高，可以促進燃燒，減少碳煙的排放[8]；另一方面，甲醇的汽化潛熱高，能夠降低氣缸內的溫度。而且，甲醇的引入會使甲醇和柴油混合燃燒過程“微中的爆效應”[9]更劇烈，使燃燒更加充分，減少了碳煙的形成。

圖3　 碳煙排放對比

3.1.3HC和CO的排放

圖4、圖5分別為HC和CO隨著醇耗率和EGR率的變化關系。兩圖表明：當柴油機的負荷不變時，HC和CO的排放量隨著醇耗率和EGR率的增大而增加。且當醇耗率和EGR率較大時HC增幅也較大。HC和CO的產(chǎn)生是由于燃料不完全燃燒產(chǎn)生的，由于引入的EGR稀釋了進氣氧濃度，導致燃燒室中局部缺氧地區(qū)增加，為HC和CO的生成提供了條件。又由于噴入的甲醇容易蒸發(fā)，導致油滴外圍過稀區(qū)混合氣量的增加，進而導致HC和CO的排放增加。綜上可以說明，EGR的使用和噴入的甲醇都會增加HC和CO的排放，其原因不僅和噴醇量的大小及EGR率的大小有關，還與混合氣的均勻性等多種因素有關[10]。

圖4　 HC排放對比

圖5　 CO排放對比

3.2負荷對排放的影響

3.2.1NO x的排放濃度

圖6為NO x的排放量隨著醇耗率和負荷的變化關系。由圖可知，在相同的醇耗率下，負荷越大，NO x排放濃度越高；在相同的負荷下，NO x隨著醇耗率的增加先減少后增加。原因在于：醇耗率小時，甲醇汽化吸熱，降低了氣缸內的溫度；而且又有25%的廢氣循環(huán)，稀釋了進氣氧濃度，都能抑制NO x的生成。當醇耗率超過60 g/（kW·h）時，甲醇的富氧作用就比較明顯[11]。且負荷越大，燃燒室內最高溫度也越高，因此，在大負荷與大的醇耗率共同作用下，NO x會急劇增加。

圖6　 NO x排放對比

3.2.2煙度的排放

圖7為負荷和醇耗率的大小對碳煙排放量的影響。從圖可以看出，高負荷比低負荷時的碳煙排放大，這是由于高負荷時柴油機需要提供更多的動能，燃燒室燃燒強度更大，產(chǎn)生的溫度更高。并且又由于25%EGR的影響，過量空氣系數(shù)相對較小，導致熱裂解反應速率上升[12，13]，此時便會產(chǎn)生較多的碳煙。當噴入甲醇后，部分甲醇替代了柴油，使燃料總的含氧量增加，碳氫比降低，從而在一定程度上制約了碳煙的生成。

圖7　 碳煙排放對比

3.2.3HC和CO的排放濃度

圖8、圖9為柴油機在1500r/min、EGR率為25%時HC和CO排放量隨著醇耗率和負荷的變化情況。由圖可以看出，噴入甲醇后柴油機的HC和CO排放量都有所增加，且HC在小負荷時的增量比大負荷時明顯。當負荷保持不變時，甲醇的高汽化潛熱和低十六烷值使缸內溫度降低，導致燃料的著火性變差[14]。而且又由于甲醇有很好的揮發(fā)性，增大了使燃料噴注外緣熄火區(qū)，兩者的共同作用使HC和CO的排放量增加。尤其是在小負荷時，過稀和卒熄的作用更加明顯[15]，使HC排放量更大。

圖8　 HC排放對比

圖9　 CO排放對比

4　結論

1）進氣道噴甲醇在一定程度上能夠緩解柴油機燃燒室不理想燃燒，減少碳煙排放。

2）進氣道噴甲醇與EGR技術相結合，當噴醇量小于65.5g/（kW·h）時，可以使碳煙和NOx的排放降低到一個最低水平，但是會增加CO和HC的排放。這說明噴入甲醇后，尾氣處理要更加嚴格。

3）隨著醇耗率的增大，負荷特性煙度逐漸降低，NO x在小的醇耗率時有所下降，大的醇耗率時有所升高；HC排放在所有負荷都增加，小負荷時增加的幅度更大。

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15楊向東，陸克久.甲醇柴油混合燃料對柴油機排放特性影響的研究[J].小型內燃機與摩托車，2013，42（5）:67～70

A Combination ofMethanoland EGR Effectson Diesel Em issions

Hu Guang,W ang Binghui,Su Yongheng,M iao Yongchao
Ningbo University（Ningbo，Zhejiang，315211，China）

Experimentalmethanol injection atintake portwith EGR inmodel YC6A220C dieselenginewas carried out，influences of differentmethanol consumption rates and different EGR rates on engine power characteristicswere studied.The resultsshow thatsootemissions can be effectively reduced whenmethanol is injected into the intake port，but itwill lead to an increase of CO and HC emission.When the spray amountofalcohol is little，reducing sootand NO x isnotobvious;when the amountofmethanol isexcessive, it can significantly reduce sootemissions，but leads to the increase of NO x emissions.When themethanol consumption ratewas controlled at65.5g/（kW·h）about,EGR rate of 25%，NO x and soot can be reduced toan optimum level.

Dieselengine，Exhaustgas recirculation，Methanol，Soot，NO x

TK427

A

2095-8234（2014）06-0072-05

寧波市基金項目（2012A610619）；浙江省高職高專院校專業(yè)帶頭人專業(yè)領軍項目（1j2013201）

胡廣（1987-），男，碩士研究生，主要從事節(jié)約能源和環(huán)境保護的研究工作。

（2014-05-22）