2135G船用柴油機摻燒含水乙醇重整燃料試驗分析

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(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

關于燃料乙醇直接在柴油機中摻燒的研究，在節能減排方面均取得了良好的效果[1-4]。但是這種直接摻燒的方式要求乙醇的體積濃度必須在99.5%以上，而且乙醇替代率較高時需對發動機作較大改造，必要時還需采用助燃措施，以致增加了使用成本。有學者提出采用含水乙醇催化重整技術對乙醇作預處理后再在內燃機上應用的方案，即將乙醇和水以一定的摩爾比混合后加熱，在催化劑的作用下發生重整反應，反應所需熱源由內燃機的廢氣余熱提供[5-6]。該方案在汽油機上應用的研究發現，重整氣的加入改善了發動機的缸內燃燒，特定工況條件下可有效降低NOx和HC排放水平，提高了發動機性能[8-12]。但是，針對柴油機的此類研究還不多見。為此，通過在改裝后的2135G型柴油機上進行基于某新型硅土催化劑的含水乙醇重整試驗，分析摻燒重整燃料對柴油機燃燒性能、經濟性能以及排放性能的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

采用2135G柴油機，在排氣系統處加裝含水乙醇重整裝置，在進氣系統處加裝含水乙醇重整燃料供給系統，將柴油機改裝成雙燃料發動機。柴油機主要技術參數見表1，發動機試驗臺架見圖1。

主要測試設備包括江蘇啟測的Y380測功器和EMC900測功監控系統；KISTLER-6125BU20型缸壓傳感器；日本HORIBA-PG350型氣體排放分析儀。

表1 2 135 G柴油機主要技術規格

試驗使用0#輕柴油作為純柴油樣本；作摻燒用的含水乙醇重整燃料，由市售的95%燃料乙醇加水通過重整反應得到75%含水乙醇。

重整反應的產物理論上為H2、CO和CO2，但實際生成物中還包括CH4、C2H4、C2H6等產物。一般認為，影響含水乙醇重整反應進行程度的主要因素，包括含水乙醇的水醇比、反應溫度和含水乙醇進入重整器流量等[7]。在試驗發動機運轉條件下，考慮到燃料的能量密度，選用含水乙醇的水醇比為1∶1 ，當反應溫度和含水乙醇流量不同時，重整反應的重整率在9.7%～37.4%范圍內，反應產物各組分所占比例的變化范圍見表2。

表2 含水乙醇重整反應各反應產物變化范圍

1.3 試驗方法

在控制轉速穩定不變的情況下，選取25%、50%、75%和90%共4個負荷工況點，分別進行純柴油模式和摻燒模式試驗。進行摻燒試驗時，通過控制球閥開度來調節含水乙醇進入重整器的流量，從而間接調節乙醇重整燃料在摻燒時的替代率(柴油機在摻燒工作模式下重整燃料所替代的柴油量與純柴油工作模式下的柴油消耗量之比)。通過測試柴油機的缸內壓力、燃油消耗率來評價其動力性能和經濟性能；由于試驗用機是船舶用柴油機，故通過測試其主要排放污染物氮氧化物。試驗方案見表3。

表3 試驗工況及替代率

柴油機的經濟性能通過燃油消耗率來評價。為了對柴油機在純柴油工作模式和摻燒重整燃料工作模式下的燃油消耗率作出直接比較，按照等熱值當量原則，引入雙燃料發動機當量燃油消耗率的概念，也稱為當量比油耗。即

beq=(be×HE)/HD+bd

(1)

式中：beq為當量燃油消耗率，g/(kW·h)；be、bd分別為含水乙醇燃料和柴油的實際消耗率；HE、HD分別為75%乙醇和0#柴油的低熱值，MJ/kg。

2 試驗結果與分析

2.1 燃燒性能

氣缸內的壓力是反映缸內燃燒情況的重要參數。柴油機在不同負荷工況下的缸壓見圖2。由圖2可見，低負荷工況時，柴油機在摻燒工作模式下其滯燃期延長，且延長幅度隨替代率的增加而明顯增大，最高爆發壓力隨替代率的增加而降低，如發動機在25%負荷、40.93%替代率條件下，與純柴油工作模式相比，其滯燃期延長8°～9°CA曲軸轉角，最高爆壓降低了約26%。50%負荷時，缸壓曲線變化趨勢與低負荷相似，但滯燃期隨替代率的增加而延長的趨勢減緩，同時最高爆壓相較純柴油工作模式時略有下降。而在高負荷工況時，滯燃期延長的幅度相對較小，在1°～2°CA曲軸轉角范圍內，但壓力升高率相比純柴油工作模式增大，最高爆發壓力升高明顯，特別是在90%負荷時提高摻燒率，發動機有明顯的爆震傾向。

圖2 不同負荷下缸壓變化

柴油機摻燒含水乙醇重整燃料時滯燃期增加，主要有兩個方面的原因。首先，重整燃料進入柴油機中摻燒時，未參與重整反應的乙醇和水的汽化潛熱均遠大于柴油，造成缸內溫度偏低；其次，柴油被部分替代后，噴入缸內的油量減少，相對過量空氣系數變大，導致著火延遲，滯燃期延長。其中低負荷工況時，由于發動機排溫過低，重整反應的反應率較低，重整產物中包含大量的乙醇和水蒸氣，使得混合燃料的汽化潛熱較大，因此著火延遲嚴重，滯燃期大幅延長。而且過長的滯燃期導致燃燒發生在膨脹沖程，壓力升高率急速下降，缸內最高爆壓降低明顯。50%負荷時，缸內溫度升高，汽化潛熱對缸內溫度的影響減弱；同時噴油量相對增加，因此滯燃期延長和最高爆壓降低的幅度與低負荷相比均有明顯減緩。而在高負荷情況下，柴油機缸內溫度較高，汽化潛熱對缸內溫度的影響可忽略不計；重整率提高，重整產物中包含較多的H2，使得缸內火焰傳播速度加快；而且滯燃期的小幅延后使可燃混合氣充分混合，增加了預混燃燒的比例，從而使得燃燒放熱率提高，燃燒持續期縮短，壓力升高率急劇增大，增加了定容燃燒的部分，因此其最高爆發壓力呈上升趨勢。

2.2 經濟性能

不同負荷下，柴油機的當量比油耗隨含水乙醇重整燃料隨柴油機中替代率的變化情況見圖3。在各個負荷條件下，摻燒重整燃料后，柴油機的當量比油耗較純柴油工作模式均有升高。從試驗結果可以看出，在低負荷時，當量比油耗隨替代率的增加而升高的趨勢明顯：當替代率為20.42%時，當量比油耗相比純柴油模式升高了31%；當替代率增加到40.93%時，其升高幅度達97%。而在中高負荷時，當量比油耗隨替代率增加而升高的趨勢與低負荷時相比明顯減緩。

圖3 替代率對當量比油耗的影響

出現這種情況的原因主要是：低負荷時，重整燃料進入氣缸后，著火時刻推遲，燃燒過程過于滯后，影響發動機熱效率；其次低負荷時發動機供油量少，重整氣的進入使氣缸內過量空氣系數增大，局部過稀的混合氣可能低于著火界限，致使燃燒不完全，燃油經濟性變差。而在中高負荷時，柴油機滯燃期的適當延長可使缸內可燃混合物更加均勻，有利于預混燃燒階段的進行。同時，中高負荷時重整反應產物中的H2、CH4等易燃氣體所占比例增加，火焰傳播速度加快，燃燒效率更高，燃油經濟性較低負荷時有所改善。

2.3 排放性能

柴油機摻燒含水乙醇重整燃料時主要排放污染物NOx和CO的排放特性見圖4、5。

圖4 摻燒重整燃料對NOx排放的影響

圖5 摻燒重整燃料對CO排放的影響

可以看出，摻燒含水乙醇重整燃料后，NOx排放隨重整燃料替代率的增加而降低，但不同負荷條件下其降低幅度并不一致。其中低負荷時，NOx排放隨替代率增加而降低的幅度最大，當替代率為20.42%時，NOx排放與純柴油模式相比降低了34%；當替代率增加到40.93%時，其降低的幅度達到了67%。而在中高負荷時，隨替代率增加，NOx排放降低的幅度相比減緩。尤其在90%負荷工況時， NOx排放受替代率的影響很小，基本維持在原機水平。然而與NOx的排放規律相反，CO排放隨重整燃料替代率的增加呈上升趨勢，而且同樣在低負荷時比較明顯。25%負荷工況下，CO排放隨替代率的增加而升高的幅度很大，替代率為20.42%時，CO排放為純柴油模式下的3.4倍；當替代率為40.93%時，CO排放同比增長為6.7倍，遠遠高出正常排放水平。而在中高負荷工況條件下，CO排放隨替代率增加而升高的趨勢較低負荷時明顯減緩。

分析認為，在低負荷工況時，摻燒含水乙醇重整燃料后，柴油機滯燃期大幅延長，燃燒極度惡化，缸內初始溫度和最高燃燒溫度均降低，導致NOx難以生成；并且較低的缸內溫度使得燃料的不完全氧化反應增加，CO大量累積，同時靠近壁面的淬冷層厚度增加，也一定程度上抑制了CO的氧化過程，因此CO排放明顯升高。而且此時隨著替代率的增加，柴油機的缸內溫度愈發降低，NOx降低和CO升高的幅度均不同程度增大。中等負荷時，柴油機缸內溫度升高，汽化潛熱對缸內溫度的影響相比低負荷時減弱，燃燒有所改善，NOx排放降低和CO排放升高的趨勢均有所減緩。而在高負荷工況時，柴油機缸內壓力升高率與燃燒放熱率均增大，缸內溫度升高，促進了NOx生成；但此時燃燒持續期縮短，氣缸內工質在高溫條件下滯留時間縮短，因此NOx排放隨替代率的變化與原機相比不明顯。另一方面，此時缸內溫度的提高，以及缸內局部過濃現象的改善，使得CO排放的變化同樣不明顯。

3 結論

1)柴油機摻燒含水乙醇重整燃料時，其滯燃期延長。低負荷時，由于缸內溫度過低以及柴油噴射量減少，滯燃期延長的幅度較大，缸內燃燒惡化，導致燃油消耗率顯著升高，CO排放急劇增加；高負荷時，含水乙醇重整反應的反應率提高，重整燃料中的氫氣所占比例增大，火焰傳播速度加快，缸內最高爆發壓力升高，有爆震傾向，經濟性得到改善，NOx排放較原機變化不大，CO排放增加的趨勢得到遏制。

2)綜合試驗結果，柴油機摻燒含水乙醇重整燃料在高負荷時可取得較為理想的性能效果，但是在低負荷時發動機燃燒惡化嚴重，導致其性能同樣惡化明顯。因此在現有的柴油機上摻燒含水酒精重整燃料總體上難以達到良好效果。若要在柴油機上更好地利用含水酒精重整燃料，需采取其他優化策略，如采用有預燃室結構的柴油機、改善催化劑的低溫活性等。

3)若能有效改善低負荷時的燃燒性能，該技術在柴油機上應用時可替代部分燃油，達到較為理想的節能減排的效果。而且由于燃料乙醇本身具有來源廣泛、可再生、易儲存等特點，該方案在船舶運輸領域具有一定的應用前景。